universidad politÉcnica salesiana sede quito · 2019-01-01 · 1.3 herramientas de corte ... una...

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA

SEDE QUITO

CARRERA:

INGENIERÍA MECÁNICA

Trabajo de titulación previo a la obtención del título de:

INGENIEROS MECÁNICOS

TEMA:

DETERMINAR PARÁMETROS ÓPTIMOS EN FRESADO PLANO PARA UN

ACERO AISI P20 CON TRATAMIENTO TÉRMICO TEMPLE-REVENIDO CON

UN RANGO DE DUREZA 60-64 HRC

AUTORES:

ALEXANDRA NATALY GRANJA IZA

KEVIN MARIO RIVAS ORTIZ

TUTOR:

LUIS CHRISTIAN JUIÑA QUILACHAMIN

Quito, enero de 2018

DEDICATORIAS

Dedico este trabajo a Dios por darme la sabiduría, la inteligencia y la fortaleza de poder

culminar la meta deseada. A mis padres Arturo y Blanca por brindarme un apoyo

incondicional tanto moral como económico, ellos son el pilar fundamental de mi vida

por los que lucho con constancia día a día para no decepcionarlos y seguir adelante. A

mis hermanos porque siempre están presentes en mi mente y quiero darles un ejemplo

para que sigan un buen camino y juntos ser el orgullo de nuestros padres. A mis seres

queridos por los buenos deseos que me ofrecieron de corazón y a mi enamorado él que

siempre estuvo ahí para apoyarme cuando más lo necesitaba.

Alexandra Nataly Granja Iza

Agradezco primero a Dios por bendecir cada paso de mi vida. Agradezco a mis padres

Jenny y Mario por estar siempre luchando por brindar me todo el apoyo en cada

momento para poder cumplir con esta meta tan importante. Agradezco a mis abuelitos

Zoila y Rigoberto por estar junto a mí con esos consejos que alientan para seguir

adelante y también quiero mencionar a mis tíos que participaron en este objetivo con

su paciencia y cuidados diarios.

Kevin Mario Rivas Ortiz

Índice

1. Marco teórico ........................................................................................................... 6

1.1 Acero AISI P20 ...................................................................................................... 6

1.1.1 Propiedades de Acero AISI P20 ...................................................................... 6

1.1.2 Características del Acero AISI P20................................................................. 6

1.1.3 Aplicación ....................................................................................................... 7

1.1.4 Tratamiento térmico en el Acero AISI P20..................................................... 8

1.2 Dureza .................................................................................................................... 9

1.2.1 Ensayo Brinell ................................................................................................. 9

1.2.2 Dureza Rockwell ........................................................................................... 10

1.3 Herramientas de Corte.......................................................................................... 11

1.3.1 Materiales de la herramienta ......................................................................... 12

1.4 Mecanizado o maquinado .................................................................................... 14

1.4.1 Variables independientes en el mecanizado .................................................. 14

1.4.2 Variables dependientes en el mecanizado ..................................................... 16

1.5 Fresado ................................................................................................................. 17

1.5.1 Operaciones en el fresado ............................................................................. 18

1.5.2 Parámetros de corte en el fresado.................................................................. 19

1.5.3 Mecanizado por arranque de viruta en acero AISI P20 ................................ 21

1.6 Fuerzas y potencia de corte .................................................................................. 22

1.6.1 Fuerzas de corte............................................................................................. 22

1.6.2 Potencia de corte ........................................................................................... 24

1.7 Manufactura CAD/CAM ...................................................................................... 24

1.7.1 Dibujo asistidos por computadora (CAD)..................................................... 24

1.7.2 Manufactura asistida por computadora (CAM) ............................................ 26

1.8 Conceptos de rugosidad ....................................................................................... 29

1.8.1 Acabado superficial ....................................................................................... 29

1.8.2 Tolerancias en maquinado............................................................................. 32

1.8.3 Acabado superficial en maquinado ............................................................... 32

1.9 Métodos estadísticos ............................................................................................ 33

1.9.1 Método Taguchi ............................................................................................ 33

1.9.2 Método ANOVA ........................................................................................... 36

2. Desarrollo del experimento .................................................................................... 41

2.1 Factores de mecanizado para el Acero AISI P20 ................................................. 41

2.2 Maquinaria ........................................................................................................... 41

2.3 Metrología ............................................................................................................ 43

2.3.1 Rugosímetro .................................................................................................. 43

2.3.2 Durómetro ..................................................................................................... 44

2.4 Tratamiento térmico ............................................................................................. 45

2.4.1 Temple........................................................................................................... 45

2.4.2 Revenido ....................................................................................................... 46

2.5 Materiales y Herramientas ................................................................................... 46

2.5.1 Inserto ............................................................................................................ 46

2.5.2 Herramienta con cuchillas insertadas ............................................................ 48

2.6 Fluido de corte...................................................................................................... 50

2.6.1 Material que constituye la herramienta ......................................................... 51

2.6.2 Método de trabajo ......................................................................................... 51

2.6.3 Aceites emulsionables ................................................................................... 51

2.7 Metodología. ........................................................................................................ 52

2.7.1 Velocidad de corte......................................................................................... 52

2.7.2 Velocidad de avance ..................................................................................... 53

2.7.3 Profundidad radial ......................................................................................... 54

2.7.4 Estrategias de mecanizado ............................................................................ 55

3. Análisis de datos .................................................................................................... 58

3.1 Diseño del experimento ....................................................................................... 58

3.2 Autodesk inventor ................................................................................................ 59

3.2.1 Inventor HSM (Herramienta de manufactura asistida por computadora) ..... 60

3.3 Programación del maquinado en Inventor HSM .................................................. 60

3.4 Medición de dureza de las probetas ..................................................................... 64

3.5 Maquinado de las probetas ................................................................................... 66

3.6 Desgaste de la herramienta de corte ..................................................................... 72

3.7 Desarrollo de Anova ............................................................................................ 72

3.7.1 Ejemplo de cálculo para el factor ( A ) velocidad de corte ............................ 73

3.8 Prueba de hipótesis ............................................................................................... 76

3.8.1 Hipótesis nula ................................................................................................ 76

3.8.2 Hipótesis alternativa ...................................................................................... 77

3.9 Análisis de resultados ........................................................................................... 77

3.10 Predicción de la rugosidad superficial óptima ................................................... 80

3.11 Resultados .......................................................................................................... 81

3.12 Costos de experimento ....................................................................................... 84

Conclusiones .............................................................................................................. 85

Recomendaciones ....................................................................................................... 88

Referencias ................................................................................................................. 89

Anexos ....................................................................................................................... 92

Índice de figuras

Capítulo 1

Figura 1.1 Procedimiento de prueba de la dureza Brinell ......................................... 10

Figura 1.2 Procedimiento de prueba de la dureza Rockwell..................................... 11

Figura 1.3 Dureza de diferentes materiales para herramientas de corte en función de

a la temperatura .......................................................................................... 12

Figura 1.4 Fresado frontal ......................................................................................... 18

Figura 1.5 Método para determinar el consumo de potencia en un fresado ............ 21

Figura 1.6 Círculo de fuerzas para determinar las fuerzas que actúa en la zona de corte

.................................................................................................................................... 22

Figura 1.7 Proceso CAD ........................................................................................... 25

Figura 1.8 Proceso CAM .......................................................................................... 27

Figura 1.9 Ciclo de producto típico .......................................................................... 28

Figura 1.10 Superficie maquinada producida sobre acero ........................................ 29

Figura 1.11 Coordenadas utilizadas para medir la rugosidad superficial. ................ 31

Figura 1.12 Esquema de la rugosidad y ondulaciones en una superficie .................. 31

Figura 1.13 Rugosidad superficial producida por diferentes métodos de producción

.................................................................................................................................... 33

Figura 1.14 Aplicación del método Taguchi en las tres partes principales de diseño.

.................................................................................................................................... 34

Capítulo 2

Figura 2.1 Emco Concept Mill 260. .......................................................................... 42

Figura 2.2 Rugosímetro Mitutoyo marca SJ-210. ..................................................... 43

Figura 2.3 Durómetro marca Phase II. ...................................................................... 44

Figura 2.4 Puntos donde se tomaron los datos de dureza. ........................................ 45

Figura 2.5 Inserto de carburo sin revestimiento marca ARNO con especificación a

a APHT 1003 PDFR-ALU. ....................................................................... 47

Figura 2.6 Ejemplo de estructura de las herramientas recubiertas ............................ 47

Figura 2.7 Sistema de designación ISO para insertos indexables ............................. 48

Figura 2.8 Fresa frontal de cuatro chuchillas insertadas ........................................... 49

Capítulo 3

Figura 3.1 Diseño de probetas................................................................................... 58

Figura 3.2 La cinta de opciones de comandos de Inventor HSM. ............................ 60

Figura 3.3 Configuración del modelo a mecanizar. .................................................. 61

Figura 3.4 Selección de fresa plana Ø16 mm en la biblioteca de herramientas. ...... 61

Figura 3.5 Cuadro de dialogo de la herramienta. ...................................................... 62

Figura 3.6 Selección del plano a mecanizar. ............................................................. 62

Figura 3.7 Selección de la orientación de la herramienta. ........................................ 63

Figura 3.8 Cuadro de simulación con las combinaciones del uno al nueve.............. 63

Figura 3.9 Durezas de las probetas antes del mecanizado. ....................................... 64

Figura 3. 10 Representación de la variación de dureza antes y después del mecanizado.

.................................................................................................................................... 66

Figura 3.11 Superficie plana mecanizada. ................................................................ 66

Figura 3.12 Gráfica de la rugosidad vs velocidad de corte para la estrategia de ZIG-a

a ZAG. ...................................................................................................... 68

Figura 3.13 Gráfica de la rugosidad vs velocidad de corte para la estrategia de ZIG.

.................................................................................................................................... 69

Figura 3.14 Gráfica de la rugosidad vs velocidad de corte para la estrategia de ZIG-a

a ZAG 90°. ............................................................................................... 69

Figura 3.15 Gráfica de rugosidad vs velocidad de corte y avance en 3D para la a a a

a trayectoria ZIGZAG. ............................................................................. 70

Figura 3.16 Gráfica de rugosidad vs velocidad de corte y avance en 3D para la a

a trayectoria ZIG. .................................................................................... 71

Figura 3.17 Gráfica de rugosidad vs velocidad de corte y avance en 3D para la a

a trayectoria ZIGZAG 90°. ..................................................................... 71

Figura 3.18 Microestructura del inserto después del mecanizado ............................ 72

Figura 3.19 Campana de verificación de hipótesis para el valor F . ....................... 78




Figura 3.23 Gráfica de la rugosidad vs niveles para cada factor. ............................. 81

Índice de tablas

Capítulo 1

Tabla 1.1 Composición química del Acero AISI P20 ................................................. 7

Tabla 1.2 Características físicas del Acero AISI P20 ................................................. 7

Tabla 1.3 Parámetros de temple .................................................................................. 8

Tabla 1.4 Parámetros de revenido ............................................................................... 9

Tabla 1.5 Escalas de dureza de Rockwell ................................................................. 10

Tabla 1.6 Propiedades de varios materiales para herramientas de corte ................... 14

Tabla 1.7 Parámetros de corte en el fresado frontal y axial ...................................... 21

Tabla 1.8 Parámetros de corte en el fresado de acabado ........................................... 21

Tabla 1.9 Arreglo ortogonal L9................................................................................. 36

Tabla 1.10 Términos y notaciones ............................................................................ 37

Capítulo 2

Tabla 2.1 Datos técnicos principales de la Emco Concept Mill 260 ........................ 42

Tabla 2.2 Datos técnicos principales del rugosímetro Mitutoyo SJ-210................... 43

Tabla 2.3 Datos técnicos del durómetro mara Phase II ............................................. 45

Tabla 2.4 Propiedades físicas y químicas del acero K20. ......................................... 47

Tabla 2.5 Descripción de la herramienta de corte ..................................................... 50

Tabla 2 6 Temperaturas límites de empleo de la herramienta .................................. 50

Tabla 2.7 Fluidos de corte según el método de trabajo ............................................. 51

Tabla 2.8 Guía de selección de fluidos de corte ........................................................ 52

Tabla 2.9 Velocidad de corte para el acero AISI P20 recomendado por los fabricantes.

.................................................................................................................................... 53

Tabla 2.10 Datos recomendados de corte del porta-insertos ..................................... 53

Tabla 2.11 Niveles para la profundidad radial. ......................................................... 54

Tabla 2.12 Factores y niveles. ................................................................................... 54

Tabla 2.13 Estrategias de mecanizado utilizadas en el estudio. ................................ 55

Tabla 2.14 Rango para los niveles de la velocidad de corte. .................................... 56

Tabla 2.15 Niveles para el factor velocidad de avance. ............................................ 57

Capítulo 3

Tabla 3.1 Dureza de las caras antes del mecanizado................................................. 65

Tabla 3.2 Arreglo ortogonal de Taguchi con los resultados de rugosidad medidos. 67

Tabla 3.3 Resultados del método Anova. .................................................................. 76

Tabla 3.4 Tabla de distribución F al 95% de confianza ......................................... 78

Tabla 3.5 Tabla de evaluación de niveles según sus factores. .................................. 80

Tabla 3.6 Análisis de costos para un mecanizado plano en AISI P20. ..................... 84

Glosario

Fresado: incluye diversas operaciones de maquinado muy versátiles que tienen lugar

en varias configuraciones usando una fresa, una herramienta multifilo que produce

numerosas virutas en una sola revolución [1].

Fresa: una herramienta, provista de aristas cortantes dispuestas simétricamente

alrededor de un eje, gira con movimiento uniforme y arranca el material al elemento

que es impulsado contra ella [2].

Temple: tiene por objeto endurecer y aumentar la resistencia de los aceros. Para ello,

se calienta el acero a una temperatura ligeramente superior a la crítica y se enfría luego

más o menos rápidamente en un medio conveniente [3].

Templado: la solución solida se preserva y la difusión de átomos y la precipitación de

las partículas de segunda fase se suprimen por medio del templado rápido,

comúnmente en agua [4].

Revenido: el acero se calienta a una temperatura específica y después se enfría una

velocidad prescrita. Si los aceros se endurecen mediante tratamiento térmico, entonces

se utiliza el revenido para reducir la fragilidad y los esfuerzos residuales y aumentar

la ductilidad y la tenacidad [1].

Dureza: la dureza de un material se define como su resistencia a la indentación

permanente. Por lo general, una dureza buena significa que el material es resistente a

las rayaduras y al uso [5].

Dureza Rockwell (HRC): esta prueba mide la profundidad de penetración en lugar

del diámetro de la indentación. El indentador se oprime sobre la superficie, primero

con una carga menor y después con una carga mayor, la diferencia en las

profundidades de penetración es una medida de la dureza del material [1].

Acabado Superficial: describe las características geométricas de una superficie, en

tanto que integridad superficial se refiere a las propiedades del material, como la

resistencia a la fatiga y la resistencia a la corrosión [1].

Rugosidad: la rugosidad se refiere a las desviaciones pequeñas, espaciadas finamente,

de la superficie nominal y que están determinadas por las características del material

y el proceso que formó la superficie [5].

Método Taguchi: es una herramienta de diseño de parámetros empleada para

incrementar la calidad y optimizar la manufactura de los productos [1].

Método Anova: es una herramienta poderosa utilizada en la industria para el análisis

estadístico en el control de procesos en laboratorios y control de métodos analíticos

[6].

Resumen

El presente trabajo contiene las características mecánicas, físicas, químicas y los

tratamientos térmicos, para conocer el grado de composición de los materiales que le

permiten alcanzar altas durezas al acero AISI P20; por tanto se expone los diferentes

materiales utilizados en fresado plano para elevadas durezas, con enfoque al software

CAD/CAM, conjuntamente a esto se establece los métodos Taguchi y el análisis

Anova empleados en el experimento.

Posteriormente se establece los factores, la maquinaria de trabajo y los instrumentos

de medición, para la ejecución del tratamiento térmico de temple y revenido; luego se

define el material específico de la herramienta, los datos técnicos y el fluido de corte

que se aplica para determinar los niveles de cada factor y obtener la matriz ortogonal

de 27 estrategias de mecanizado.

A continuación, se presenta el diseño experimental en el software CAD/CAM, la

definición del programa Inventor HSM y la programación de las estrategias; posterior

al mecanizado, se efectúa la medición de la dureza antes y después para conocer el

resultado de variación que es del +2,07%. Luego se procede a medir la rugosidad de

las caras, obteniendo como resultado los gráficos en 2D y 3D que ayudan a establecer

una ecuación de regresión estadística para predecir la rugosidad; finalmente con el

método Anova se determina el factor velocidad de corte con mayor influencia en el

acabado superficial del 66,19% y evaluando los resultados con la prueba de hipótesis

nula y alternativa se obtiene una estrategia mejorada de velocidad de corte = 25 m/min,

avance = 101,461 m/min, trayectoria = ZIG-ZAG y profundidad radial = 1,29 mm,

que permite tener una rugosidad óptima de 0,11 µm, que es verificada dentro del rango

de tolerancia calculado.

Palabras claves: Fresado, fresa, templado, revenido, dureza, acabado superficial y

rugosidad.

Abstract

The present work contains the characteristics mechanical, physical, chemical and

thermal treatments, to know the degree of composition of the materials that allow it to

reach high hardness to AISI P20 steel; Therefore, the different materials used in flat

milling for high hardness are exposed, with a focus on CAD/CAM software, together

with this, the Taguchi methods and the Anova analysis used in the experiment are

stable.

Subsequently, the factors, the working machinery and the measuring instruments are

established for the execution of the thermal treatment of quenching and tempering; it

then defines the tool-specific material, technical data, and cutting fluid that is applied

to determine the levels of each factor and obtain the orthogonal matrix of 27 machining

strategies.

The following is the experimental design in the CAD/CAM software, the definition of

the Inventor HSM program and the programming of the strategies; after the

mechanization, the measurement of the hardness is carried out before and after to know

the result of variation that is of +2,07%. Then we proceed to measure the roughness of

the faces, resulting in 2D and 3D graphics that help to establish a statistical regression

equation to predict the roughness. Finally the Anova method determines the cutting

speed factor with greater influence on the surface finish of 66,19% and evaluating the

results with the null and alternative hypothesis test an improved strategy of cutting

speed is obtained = 25 m/min, Advance = 101,461 m/min, trajectory = ZIG-ZAG and

radial depth = 1,29 mm, which allows optimum roughness of 0,11 µm, which is

verified within the calculated tolerance range.

Keywords: Milling, mills, tempered, tempering, hardness, surface finish and

roughness.

1

Introducción

El estudio de la rugosidad del acero AISI P20 en probetas planas, aplicadas en la

práctica de procesos de manufactura, CAD/CAM y tratamiento térmico, abre una

ventana al desarrollo de la investigación, que beneficie la producción de la matriz

productiva, para obtener optimización de procesos, reducción de recursos y costos de

fabricación, generando ganancias a las empresas que se dedican a la producción de

artículos plásticos y fabricación de moldes de producción en el mercado nacional,

debido a que se determinaran valores y parámetros para obtener superficies óptimas

que reduzcan tiempos de pulido.

Este acero M238 es utilizado en la industria de la inyección, soplado y extrusión de

plásticos las características importantes que ofrece son: una buena maquinabilidad,

excelente pulido, excelente conductividad térmica y dureza uniforme. El alto

contenido de Níquel permite que la resistencia mecánica sea uniforme hasta el núcleo

y se utiliza en la fabricación de moldes plásticos con espesores superiores a 400mm.

Este acero se utiliza para la fabricación de partes y accesorios en la industria

automotriz y en la fabricación de máquinas [7].

En el acero M238 se realizará un tratamiento térmico que tiene como finalidad mejorar

las propiedades y características; para realizarlo se necesita una serie de procesos; el

calentamiento, tiempo de permanencia y enfriamiento. Los principales tratamientos

térmicos que se utilizarán en la investigación son el temple y revenido. El temple tiene

como objetivo cambiar la estructura del acero para obtener diferentes propiedades

como el aumento de la dureza, la resistencia mecánica y la resistencia al desgaste. El

revenido se realiza en los aceros templados, tiene el propósito de reducir o eliminar

tensiones internas para obtener la dureza requerida, el procedimiento consiste en el

2

calentamiento a una temperatura determinada por el tipo de material para luego

realizar el enfriamiento [3].

La manufactura es una combinación de elementos físicos y humanos que algunos son

complejos de controlar y predecir como son: el desempeño y su respuesta a

alteraciones externas de las maquinas herramienta, los costos de materia prima es

difícil pronosticar con precisión pues se han realizado avances como la simulación de

los sistema de manufactura y modelado [1].

Diseño asistido por computador (CAD) es el uso de computadoras que sirven para

hacer planos de diseños y modelos de productos. Los sistemas CAD se dividen en

cuatro procesos como a) el modelado geométrico, b) análisis y optimización del diseño

c) revisión y evaluación de diseños y d) documentación y proyectos [1].

La manufactura asistida por computador (CAM) consiste en el uso de computadoras

para asistir las fases de manufactura. La combinación del sistema CAD/CAM permite

que la etapa de diseño transfiera la información a la etapa de manufactura. Las ventajas

de utilizar un sistema CAD/CAM se dan en las operaciones de maquinado que son

capaces de describir la trayectoria de las herramientas y al minimizar los costos de

manufactura y mejorar la producción [1].

Los parámetros de corte que intervienen en el maquinado son la profundidad de corte

que se ajusta a la herramienta de corte, esta se desplaza con una determinada velocidad

cuando la pieza gira, la velocidad de avance es la distancia que recorre la herramienta

de corte por cada revolución de la pieza [1].

Para obtener el factor con más influencia en nuestro estudio se utilizará el método de

Taguchi que combina la ingeniería y los métodos estadísticos para optimizar el diseño

3

del producto y los procesos de manufactura para así lograr alta calidad y bajos costos.

La función de pérdida de Taguchi es una herramienta para comparar la calidad,

mediante la minimización de las variaciones. El método Taguchi tiene una herramienta

que se utiliza en el diseño de parámetros llamadas matrices ortogonales [6].

El método ANOVA conocido como el análisis de varianza es una herramienta

estadística que se utiliza en la industria para el control de procesos. Es un método

empleado para analizar los resultados de diferentes factores en lo diseños

experimentales. Tiene una variedad de aplicaciones pero los dos principales son: la

comparación de múltiples columnas de datos y la estimación de los componentes de

variación de un proceso [6].

4

Objetivos

General

Determinar los parámetros óptimos en fresado plano para un acero AISI P20 con

tratamiento térmico temple-revenido con un rango de dureza 60-64 HRC.

Específicos

Establecer los tratamientos térmicos y durezas aplicados en los aceros utilizados

en la industria plástica y las herramientas empleadas para el proceso de maquinado

en aceros con tratamiento térmico.

Estudiar las trayectorias que son empleadas en el software CAM para aprovechar

sus estrategias e interacción con la fresadora CNC.

Recopilar datos mediante la variación de parámetros de mecanizado en el fresado

plano.

Evaluar los factores que mayor influyen en la rugosidad del material comparando

los datos prácticos con un método estadístico.

Realizar el análisis comparativo de los valores de rugosidad obtenidos en la

interacción entre el Software CAM y la fresadora CNC con un modelo estadístico

adecuado.

Analizar los costos empleados para obtener diferentes tipos de rugosidad en las

superficies de las probetas.

5

Alcance

Realizar el tratamiento térmico temple y revenido en el acero AISI P20 para mecanizar

las probetas con los parámetros de corte seleccionados en la investigación, además

emplear un análisis estadístico de los resultados para desarrollar una optimización de

los parámetros que influyen estadísticamente en el resultado de la rugosidad

superficial.

6

CAPITULO 1

Marco teórico

1.1 Acero AISI P20

Es un acero de uso universal para procesamiento de plásticos no corrosivos, este tipo

de acero contiene propiedades deseadas en los procesos de fabricación de moldes para

inyección de plástico, tiene una buena maquinabilidad, excelente respuesta al brillo,

gran templabilidad y tenacidad [8].

1.1.1 Propiedades de Acero AISI P20

El AISI P20 conocido con el nombre comercial M238 es un acero prebonificado y al

contener Níquel en su aleación garantiza una resistencia mecánica uniforme hasta el

núcleo, para el caso de fabricación de moldes plásticos con espesores mayores de

400 mm. Su fácil maquinabilidad permite aumentar la velocidad de corte y de avance

para así obtener el incrementó de la productividad en menor tiempo [7].

1.1.2 Características del Acero AISI P20

El acero AISI P20 es aleado al Cromo, Níquel, Molibdeno desgasificado al vacío, que

al realizar el tratamiento térmico de templado y revenido con alta pureza y uniformidad

se puede obtener las siguientes particularidades [8]:

Excelente capacidad para el pulido [8].

Buena maquinabilidad [8].

Alta pureza y homogeneidad [8].

Dureza uniforme en todas las dimensiones [8].

7

La tabla 1.1 muestra la cantidad aproximada porcentual de cada compuesto que se

encuentra dentro de la composición del material AISI P20.

Tabla 1.1 Composición química del Acero AISI P20 [7].

Composición química Valores aproximados en %

C 0,38

Si 0,30

Mn 1,50

Cr 2,00

Mo 0,20

Ni 1,10

La tabla 1.2 indica las propiedades físicas del acero AISI P20.

Tabla 1.2 Características físicas del Acero AISI P20 [8].

Características Físicas

Unidades Valores

Temperatura °C 20 200

Densidad Kg/m3 7800 7750

Coeficiente de dilatación térmica °C 11.1x10-6 12.9x10-6

Conductividad térmica W/m °C 29 30

Módulo de elasticidad N/mm2 205000 200000

Calor específico J/Kg °C 460 -

1.1.3 Aplicación

Se utiliza para moldes de gran tamaño con espesores superiores a 400 mm para la

transformación de materiales plásticos, armazones de moldes para la industria de

inyección, soplado y extrusión de plástico, piezas en la fabricación de maquinaria y en

la industria automotriz [7].

8

1.1.4 Tratamiento térmico en el Acero AISI P20

American Society for Metals the Metals Park, Ohio, EE.UU., define los tratamientos

térmicos como una mezcla de operaciones de calentamiento y enfriamiento en tiempos

definidos dependiendo del material hasta obtener las propiedades requeridas [9].

El material 1-2738 denominado en la norma DIN puede ser utilizado en el estado de

templado y revenido para aumentar la dureza, en su estado original tiene una dureza

de 28 - 32 HRC y puede aumentar después del tratamiento térmico a 52-54 HRC [8].

Se puede aplicar una serie de operaciones tomando en cuenta los siguientes parámetros

[8]:

a. Temple

Es un tratamiento térmico que tiene como objetivo modificar la estructura del acero

para obtener diferentes propiedades como el aumento de la dureza, de la resistencia

mecánica, resistencia al desgaste y otros. Consiste en calentar el acero a una

temperatura superior a la crítica que es entre 840°C - 870°C y luego enfriar

bruscamente en un medio líquido o gaseoso como el agua, aceite etc [7].

La tabla 1.3 muestra los valores obtenido después de dar temple al acero AISI P20.

Tabla 1.3 Parámetros de temple [8].

Temperatura de

temple

Medio de enfriamiento Dureza después del temple

840 – 870 °C Aceite - baño sales 180-220°C 52-54 HRC 1730 N/mm2

b. Revenido

Es un proceso final del tratamiento térmico que se aplica en los aceros previamente

templados que consiste en un calentamiento a temperatura inferior a la crítica de

9

200 °C, tiene la finalidad de eliminar las tensiones internas que se da en el material

durante el temple y así obtener la dureza requerida y resistencia mecánica deseada [3].

La tabla 1.4 muestra los valores obtenidos después de dar el revenido a diferentes

temperaturas y la dureza acero AISI P20.

Tabla 1.4 Parámetros de revenido [8].

Temperatura °C 100 200 300 400 500 600 700

Dureza HRC 51 50 48 46 42 39 28

1.2 Dureza

La dureza de un material se determina como su resistencia a la indentación permanente

es decir que es capaz de soportar el esfuerzo sin deformarse [5].

1.2.1 Ensayo Brinell

Consiste en presionar una esfera de acero o de carburo de tungsteno de 10 mm de

diámetro, contra la superficie del material con una carga de 500, 1500 o 3000 kg. Para

obtener el número de dureza de Brinell (BHN) se divide la carga entre el área de

indentación [5].

La ecuación es:

)(

2

22

ibb

i

DDD

FHB

(1.1)

Donde:

HB : Dureza Brinell. [BHN]

iF : Carga de indentación. [kg]

bD :

Diámetro de la esfera. [mm]

iD : Diámetro de la indentación sobre la superficie. [mm]

10

En la figura 1.1 se muestra la manera de realizar el proceso de prueba de dureza Brinell

con sus dimensiones i

F , bD y i

D .

Figura 1.1 Procedimiento de prueba de la dureza Brinell [5].

1.2.2 Dureza Rockwell

Esta prueba mide la profundidad de penetración del indentador cónico, se oprime sobre

la superficie con una carga que se obtiene dependiendo la escala de Rockwell como se

observa en la tabla 1.5, y una precarga que es determinada por el durómetro, la

diferencia en las profundidades de penetración es la medida de la dureza del material

[1].

La tabla 1.5 muestra algunas de las escalas de dureza Rockwell e indentadores

frecuentemente utilizados con sus respectivas cargas [1].

Tabla 1.5 Escalas de dureza de Rockwell [5].

Escala de

Rockwell

Símbolo

de

Dureza

Indentador Carga

(kg)

Materiales Comunes

A HRA Cono 60 Carburos, cerámicas

B HRB Esfera 1.6mm 100 Metales no ferrosos

C HRC Cónico de

diamante

150 Metales ferrosos, acero para

herramientas

11

En la figura 1.2 indica la manera de realizar la prueba de dureza Rockwell.

Figura 1.2 Procedimiento de prueba de la dureza Rockwell [5].

1.3 Herramientas de Corte

Para ejecutar las operaciones de mecanizado se utilizan herramientas de corte, éstas se

someten a elevadas temperaturas a lo largo de la cara de ataque, elevados esfuerzos

que se produce en la punta de la herramienta, rozamiento a lo largo de la interfaz

herramienta-viruta y en la superficie maquinada, los parámetros mencionados

producen un desgaste en la herramienta. La selección de los materiales de las

herramientas de corte es un factor importante en las operaciones de maquinado [1].

Se indica diferentes propiedades que deben poseer los materiales para las herramientas

de corte [5]:

Deben tener alta tenacidad para evitar las fallas por fractura [5].

La dureza en caliente es necesario para evitar altas temperaturas que se genera al

operar la herramienta [5].

Los materiales para las herramientas de corte deben ser duros. El acabado

superficial, la composición química de la herramienta y el material de trabajo

afectan la resistencia al desgaste [5].

12

La figura 1.3 muestra la dureza en las escalas HRA y HRC en función de las

temperaturas en °C y °F, para varios materiales [1].

Figura 1.3 Dureza de diferentes materiales para herramientas de corte en función de la temperatura

[1].

1.3.1 Materiales de la herramienta

a. Carburos

Debido a su alta dureza en un rango extenso de temperaturas, su alto módulo elástico,

alta conductividad térmica y baja dilatación térmica, los carburos se encuentran entre

los materiales importantes, versátiles y de costo efectivo para varias aplicaciones como

herramientas de corte y matrices [1].

Se clasifican en dos grupos:

Carburo de tungsteno

Consta de partículas de carburo de tungsteno aglutinadas en una matriz de cobalto. Las

13

herramientas de carburo de tungsteno se emplean para cortar aceros, hierros fundidos

y materiales no ferrosos abrasivos y han sustituido a las herramientas de acero de alta

velocidad debido a un buen desempeño [1].

Carburo de titanio

Consta de una matriz de níquel y molibdeno. La resistencia al desgaste es mayor en

comparación al carburo de tungsteno. El carburo de titanio es apropiado para

mecanizar materiales duros y para cortar a velocidades más elevadas que el carburo de

tungsteno [1].

b. Cermets

Se encuentran compuestos de materiales metálicos y cerámicos. Éste material es

utilizado para el acabado a altas velocidades y desbastes ligeros, los cermets permiten

velocidades elevadas en comparación de lo carburos [5].

Pese a que tiene estabilidad química y resistencia a la formación de bordes

acumulados, su alto costo y fragilidad son factores que no permiten su uso

ampliamente [1].

c. Inserto

Los insertos se utilizan considerablemente en el mecanizado debido que son

económicos y adaptables a varias operaciones de maquinado [5].

Las herramientas de corte de acero de alta velocidad tienen la forma de una sola pieza

y para proporcionarles diferentes características geométricas se las rectifican, éstas

herramientas incluyen insertos, brocas y cortadores para fresado y engranes. Cuando

14

se desgasta el filo de corte se retira la herramienta del soporte y se debe reafilar. Los

insertos se sujetan sobre el portaherramientas con distintos mecanismos de sujeción

[1].

La tabla 1.6 muestra las propiedades importantes de diferentes materiales que se

utilizan para las herramientas de corte [1].

Tabla 1.6 Propiedades de varios materiales para herramientas de corte [1].

Acero de alta

velocidad

Carburos Cerámicos

Tungsteno Titanio

Dureza (HRC) 63-69 75-84

77-80 77-84

Resistencia a la

compresión (Mpa)

4100-4500 4100-5850 3100-3850 2750-4500

Resistencia ruptura

transversal (Mpa)

2400-4800 1050-2600 1380-1900 345-950

Resistencia al

impacto (J)

1,35-8 0,34-1,35 0,79-1.24 <0,1

1.4 Mecanizado o maquinado

Es un proceso de fabricación en el que se utiliza una herramienta de corte para eliminar

el exceso de material en una pieza de trabajo, de tal forma que el material remanente

sea la forma del producto requerido [5].

En el mecanizado interactúan las características de la pieza de trabajo, los materiales

de la herramienta, el lubricante, la geometría del proceso y las propiedades de las

máquinas herramientas [4].

1.4.1 Variables independientes en el mecanizado

El operador de la máquina tiene el control directo sobre las variables independientes y

al configurar el proceso de mecanizado pueden ser especificadas o seleccionadas [10].

15

Estas son:

a. Material de la pieza

La metalurgia y la química de la pieza de trabajo se pueden especificar o ya se conocen.

El material debe ser seleccionado para una aplicación en particular y así poder

maquinar correctamente [10].

b. Geometría inicial

El tamaño y la forma de la pieza de trabajo pueden ser realizados por procesos o

pueden seleccionarse a partir de un material para mecanizado estándar. Ésta variable

influye directamente en los procesos de mecanizado que se seleccionan y en las

profundidades de corte [10].

c. Procesos específicos de mecanizado

La selección de los procesos de mecanizado necesarios para convertir la materia prima

en un producto acabado debe basarse en la geometría de la pieza, los acabados y

tolerancias requeridas y la cantidad del producto trabajado [11].

d. Procesos de formación de virutas

Existen siete procesos básicos de formación de virutas: torneado, conformado, fresado,

taladrado, aserrado, brochado y mecanizado abrasivo [10].

e. Materiales para herramientas

Los tres materiales para herramienta de corte más comunes utilizados en las

operaciones de mecanizado son: acero de alta velocidad (HSS), tanto en forma de

forjado como de metalurgia de polvo (P/M), carburos, y herramientas revestidas.

16

Cuanto más duro sea el material de la herramienta, mejor puede resistir el desgaste a

velocidades de corte más rápidas [10].

f. Parámetros de corte

Para cada operación de mecanizado se debe seleccionar la velocidad de corte, el avance

y la profundidad de corte. La selección adecuada de las variables también depende de

las otras variables de entrada que se hayan seleccionado como: la cantidad total de

material a retirar, la pieza de trabajo, los materiales para herramienta y el proceso de

mecanizado [10].

g. Geometría de herramientas

Las herramientas de corte a menudo están diseñadas para realizar operaciones

requeridas y su geometría se escoge para llevar a cabo funciones de mecanizado

específicas [10].

h. Fluidos de corte

La selección del fluido de corte apropiado para una combinación particular de material

de trabajo y material de herramienta puede representar la diferencia entre el éxito y el

fracaso de todos los procesos de mecanizado de producción. Los fluidos de corte sirven

para enfriar la pieza de trabajo, la herramienta y las virutas, reducir la fricción mediante

lubricación, mejorar el acabado superficial y proporcionar protección superficial a la

pieza de trabajo [11].

1.4.2 Variables dependientes en el mecanizado

Son aquellas que son afectadas por los cambios en las variables independientes [1].

17

Éstas son:

a. Tamaño y propiedades del producto terminado

El objetivo del mecanizado es obtener una superficie mecanizada de tamaño,

geometría y propiedades mecánicas deseados. Debido a que el mecanizado es un

proceso de deformación plástico localizado, cada superficie mecanizada tendrá alguna

deformación residual que queda en ella [11].

b. Acabado superficial

El acabado final en una superficie mecanizada es una función de la geometría de la

herramienta, material de la herramienta, material de la pieza de trabajo, proceso de

mecanizado, velocidad, alimentación, profundidad de corte y fluido de corte [11].

c. Desgaste de herramientas

La deformación plástica y la fricción relacionados al mecanizado producen un calor

considerable, lo que eleva la temperatura de la herramienta y reduce su resistencia al

desgaste [11].

1.5 Fresado

Es un proceso de maquinado versátil y ampliamente utilizados en la manufactura de

partes, en la cual se hace pasar una pieza de trabajo por delante de una herramienta

cilíndrica rotatoria llamado fresa [5].

Existen numerosas variedades de geometrías de fresas, las que se clasifican de acuerdo

con la posición de la herramienta respecto al materia prima a maquinar [4].

18

La forma geométrica creada por el fresado es una superficie plana. Se pueden crear

formas diferentes mediante la trayectoria de la herramienta de corte [5].

1.5.1 Operaciones en el fresado

Tipos de operaciones en el fresado:

a. Fresado periférico

El eje de la herramienta es paralelo a la superficie que se está maquinando y la

operación se realiza por los bordes de corte en la periferia exterior del cortador [5].

b. Fresado frontal.

El eje de la fresa es perpendicular a la superficie de trabajo y el maquinado se ejecuta

cortando las orillas, tanto en el extremo como fuera de la periferia de la fresa [5].

El tipo de fresado que se utilizó en la investigación fue el fresado frontal como se

muestra en la figura 1.4.

Figura 1.4 Fresado frontal [5].

19

1.5.2 Parámetros de corte en el fresado

a. Velocidad de corte

La velocidad de corte en el fresado es la velocidad superficial de la herramienta de

corte [1].

1000

DV

c

(1.2)

Donde:

cV Velocidad de corte. [m/min]

D : Diámetro de la fresa. [mm]

: Velocidad del husillo. [rpm]

b. Velocidad de avance

El avance en el fresado se determina como el avance por diente cortante se representa

el tamaño de la viruta formada por cada filo de corte, el cual se transforma en la

velocidad de avance [5].

zfVza (1.3)

Donde:

c. Profundidad de corte

Es la profundidad de la capa arrancada de la superficie de la pieza en una pasada de la

herramienta [1].

aV : Velocidad de avance. [mm/min]

zf : Avance por diente. [mm]

: Velocidad del husillo. [rpm]

z : Número de dientes en la fresa.

20

Dae

9.0 (1.4)

Donde:

ea : Profundidad de corte [m/min]

D : Diámetro de la fresa. [mm]

d. Tiempo de mecanizado

El tiempo requerido para fresar una pieza de trabajo de longitud debe tomar en cuenta

la distancia de aproximación requerida para enganchar completamente la fresa [5].

a

m

V

ALT

(1.5)

Donde:

e. Potencia de corte

61060

caep

c

FvaaP

(1.6)

Donde:

cP : Potencia de corte. [kW]

pa : Profundidad axial de corte. [mm]

ea : Profundidad radial de corte. [mm]

av : Velocidad de avance. [mm/min]

cF : Fuerza de corte especifica. [N/mm2]

mT : Tiempo de mecanizado [min]

aV : Velocidad de avance. [mm/min]

L : Longitud de la pieza de trabajo. [mm]

A : Área horizontal del contacto de la fresa con la pieza de trabajo. [rpm]

21

La figura 1.5 indica la potencia de corte en el fresado.

Figura 1.5 Método para determinar el consumo de potencia en un fresado [12].

1.5.3 Mecanizado por arranque de viruta en acero AISI P20

Los valores dados en la tabla 1.7 y tabla 1.8, pueden considerarse como guía, para ser

adaptados a las condiciones reales de trabajo [8].

a. Fresado frontal y axial

Tabla 1.7 Parámetros de corte en el fresado frontal y axial [8].

Parámetros de

Corte

Fresado con metal duro

Fresado de desbaste Fresado Fino

Velocidad de corte (𝑉𝑐) m/min 80-110 110-130

Avance (𝑓𝑧) mm/diente 0.2-0.4 0.1-0.2

Profundidad de corte (𝑎𝑝) mm 2-5 2

b. Fresado de acabado

Tabla 1.8 Parámetros de corte en el fresado de acabado [8].

Parámetros de

Corte

Tipo de Fresa

Metal duro integral Inserto de metal duro

Velocidad de corte (𝑉𝑐) m/min 50 100-150

Avance (𝑓𝑧) mm/diente 1.03-0.2 0.08-0.2

Mecanizado grupo ISO K10,P40 P20-P0

22

1.6 Fuerzas y potencia de corte

Para mecanizar una pieza a una velocidad de corte, avance, trayectoria y profundidad

de corte con un lubricante específico el material de la herramienta de corte y su

geometría, genera fuerzas de corte y consume energía [10].

1.6.1 Fuerzas de corte

Los datos sobre las fuerzas de corte son importantes para mantener la precisión

dimensional requerida en el proceso de maquinado. Al seleccionar los

portaherramientas y los dispositivos apropiados de sujeción de piezas ayuda a no

ocasionar deformación excesiva en la pieza de trabajo al aplicar las fuerzas de corte

[1].

En la figura 1.6 muestra las fuerzas que actúan en el corte ortogonal en un círculo de

fuerzas. La fuerza de corte (C

F ) actúa en dirección de la velocidad de corte (V ) y

aporta la energía necesaria para el corte [1].

Figura 1.6 Círculo de fuerzas para determinar las fuerzas que actúa en la zona de corte [1].

La fuerza de empuje (t

F ) actúa en dirección normal a la velocidad de corte (V ). Estas

dos fuerzas producen la fuerza resultante ( R ) [1].

23

a. La fuerza resultante se descompone en dos componentes sobre la cara de la

herramienta [1]:

RsenFr (1.7)

cosRN (1.8)

Donde:

rF : Fuerza de fricción. [N]

N : Fuerza normal que es perpendicular a la fuerza de fricción. [N]

: Ángulo de fricción.

b. Fuerzas en el plano cortante.

Fuerza resultante está equilibrada por una fuerza igual y opuesta a lo largo del plano

de cizallamiento que se puede encontrar en las siguientes formulas [1]:

senFFFtCs

cos (1.9)

costCn

FsenFF (1.10)

Donde:

SF : Fuerza de cizallamiento. [N]

nF : Fuerza normal que es perpendicular a la fuerza de fricción. [N]

: Ángulo de cizallamiento.

c. Fuerzas sobre la herramienta de corte.

La fuerza de empuje (t

F ) tiene como función mantener suficientemente rígidos el

portaherramientas, los dispositivos de sujeción del trabajo y la máquina herramienta

para soportar las deflexiones mínimas [1].

24

)( RsenFt

(1.11)

)tan( Ct

FF (1.12)

1.6.2 Potencia de corte

Es el producto de la fuerza y la velocidad, la alimentación de potencia del corte es [1]:

VFPotenciaC (1.13)

1.7 Manufactura CAD/CAM

La manufactura es un sistema complejo ya que consta de múltiples elementos físicos

y humanos, algunos de los cuales son complicados de predecir y controlar. Un sistema

de manufactura se puede representar a través de modelos matemáticos y físicos que

muestren la naturaleza y el grado de interdependencia de todas las variables

comprendidas [1].

El avance tecnológico de las computadoras ha facilitado obtener mayor calidad a

menor costo en actividades de diseño y manufactura, gracias a la alta velocidad de

procesadores y software desarrollados. Permite controlar desde el diseño de proyectos

de partes individuales hasta el modelado de procesos y sistemas de manufactura [1].

1.7.1 Dibujo asistidos por computadora (CAD)

El término dibujo asistido por computador se refiere a una familia de tecnologías

basadas en computadoras que se usan para crear, analizar y optimizar el diseño en la

ingeniería. Normalmente los programas CAD proporcionan una interfaz gráfica de

usuario (GUI, sus siglas en inglés) que permite introducir y manipular objetos

geométricos en dos y tres dimensiones, crear dibujos de ingeniería, hacer análisis

25

básicos en ingeniería como el cálculo de las propiedades de masa y visualizar piezas

individuales y ensambles complejos [13].

El software CAD (dibujo asistido por computadora) tiene herramientas poderosas que

sirven para diseñar y modelar la geometría de componentes y productos finales. Para

generar y diseñar planos tiene estaciones de trabajo y un monitor que permite mostrar

de forma continua con diferentes colores los distintos componentes. El diseñador

puede unir con facilidad los componentes gracias a las pantallas gráficas, donde se

puede modificar brevemente un diseño específico para cumplir los requisitos

particulares [13].

a. Elementos de sistema CAD

En la figura 1.7 se ha incluido un conjunto de tareas agrupadas en proceso CAD que,

a su vez, son subconjuntos del proceso de diseño y proceso de fabricación

respectivamente.

Figura 1.7 Proceso CAD [14].

26

b. Ventajas de los programas CAD

Disminuye la fase de diseño al observar el producto en tiempo real y facilita el

trabajo de varias subpartes que conforman un solo conjunto.

El software CAD contiene subcategorías especializadas para aplicaciones y

necesidades específicas del usuario. Entre estas destacan alternativas como:

biblioteca de elementos normalizados, derechos de autor, elevada precisión en los

dibujos de los elementos generados.

Al aplicar normativas de dibujo técnico se obtienen planos del producto final de

manera automática, rápida, con versatilidad de vistas y cortes. Sus amplias

aplicaciones contienen alternativas como cálculos de costo de fabricación del

producto.

En la actualidad la conexión a internet facilita la comunicación e intercambio de

ideas en tiempo real de los integrantes del grupo de trabajo multidisciplinario.

1.7.2 Manufactura asistida por computadora (CAM)

La manufactura asistida por computadora consiste en el uso de computadoras para

auxiliar en todas las fases de manufactura de un producto. La combinación del diseño

asistido por computadora y la manufactura asistida por computadora se transforma en

sistemas CAD/CAM. La CAM almacena y procesa la base de datos desarrollada

durante el CAD con los datos e instrucciones necesarios para operar y controlar

maquinaria de producción, equipo de manejo de materiales, ensayos e inspecciones

automatizadas para alcanzar la calidad de los productos [1].

Las instrucciones o códigos de programa se generan en la computadora y el

programador puede cambiar para optimizar la trayectoria de las herramientas. El

27

ingeniero verifica de forma visual que no existan colisiones en la trayectoria de las

herramientas con las prensas de sujeción, soportes fijos u otras interferencias [14].

Las redes computacionales contribuyen enormemente el desarrollo de los sistemas

CAD/CAM, pero tiene la desventaja en la privacidad de información, porque el

sistema de red es muy complejo y existe un mayor número de usuarios con acceso

directo a él. El desarrollo de numerosos protocolos sea creado con el fin de

salvaguardar las comunicaciones entre computadoras como por ejemplo:

ETHERNET, tcp/ip, map/top, ascii, ftp, nfs, y muchos otros [14].

a. Proceso de generación CAM

En la figura 1.8 se ha incluido un conjunto de tareas de proceso CAM que, a su vez,

son subconjuntos del proceso de diseño y proceso de fabricación respectivamente.

Figura 1.8 Proceso CAM [14].

28

b. Proceso de diseño y fabricación CAD/CAM

En la práctica, el CAD/CAM se utiliza de distintas formas, para producción de dibujos

y diseño de documentos, animación por computador, análisis de ingeniería, control de

procesos, control de calidad, etc. Por tanto, para clarificar el ámbito de las técnicas

CAD/CAM, las etapas que abarca y las herramientas actuales y futuras, se hace

necesario estudiar las distintas actividades y etapas que deben realizarse en el diseño

y fabricación de un producto. Para referirnos a ellas emplearemos el término ciclo de

producto que aparece reflejado en la figura 1.9 [14].

Figura 1.9 Ciclo de producto típico [14].

c. Ventajas de los programas CAM

Al utilizar software CAD/CAM se reduce el esfuerzo de diseño, pruebas y

fabricación de los prototipos, esto representa una reducción significativa en los

costos de manufactura y mejora en la productividad.

Los programas CAM ahorran tiempo de programación del control numérico y

elimina los errores del operador con la máquina-herramienta.

29

Reduce los costes de fabricación al aminorar el desgaste y rotura de las

herramientas de corte.

1.8 Conceptos de rugosidad

1.8.1 Acabado superficial

En la figura 1.10 se puede observar una fotografía de una superficie de acero

maquinada, realizada en un microscopio electrónico de barrido. En el acabado

superficial se puede describir las características geométricas de un área ya que la

integridad superficial se refiere a las propiedades del material, como la resistencia a la

fatiga y la resistencia a la corrosión, que se ven influidas por la naturaleza de la

superficie producida [1].

Figura 1.10 Superficie maquinada producida sobre acero [1].

Si la herramienta tiene un radio de punta mayor en relación con la profundidad de

corte, la herramienta solo roza la superficie maquinada. Al rozar se genera calor e

induce esfuerzos superficiales residuales, que ocasionan daños superficiales, como

desgarramiento y agrietamiento. Como resultado la profundidad de corte tiene que ser

mayor al radio de filo de corte [1].

En operaciones de cilindrado, como en otros procesos de corte, la herramienta deja

protuberancias de avance sobre la superficie maquinada cuando se mueve por la pieza

30

de trabajo. Si mayor es el avance y menor el radio de la punta de la herramienta, las

marcas serán más elevadas. Esto se demuestra por medio de la ecuación [1]:

a

a

a

r

VR

8

2

(1.14)

Donde:

aR : Es el valor medio aritmético [µm]

aV : Avance [mm]

ar : Radio de la punta de la herramienta [mm]

La deformidad en la superficie se presenta como raspaduras, grietas, orificios,

depresiones, costuras y desgarramientos [1].

La rugosidad se define como las desviaciones irregulares en pequeña escala

espaciadas estrechamente; se expresa en términos de su peso, anchura y distancia

a lo largo de la superficie [1].

La ondulación es la desviación recurrente de una superficie plana; se mide y

describe en términos del espacio entre las crestas adyacentes de las ondas y la altura

entre las crestas y valles de las ondas [1].

Por lo general, la rugosidad superficial se describe mediante dos métodos:

1° El valor medio aritmético (a

R ) se basa en el esquema de una superficie rugosa,

como se muestra en la figura 1.11. Se define como [1]:

n

dcbaR

a

...

(1.15)

Donde:

... dcba : Son valores absolutos

n : Cantidad de lecturas

31

2° La rugosidad de la raíz media cuadrática q

R , se define como:

n

dcbaR

q

...2222

(1.16)

La línea de referencia AB en la figura 1.11 se localiza de manera que la suma de las

áreas sobre de la línea es igual a la suma de las áreas abajo de la misma [1].

Figura 1.11 Coordenadas utilizadas para medir la rugosidad superficial [1].

Las unidades utilizadas para la rugosidad superficial son 𝜇m o 𝜇pulg. Obsérvese que

1 𝜇m = 40 𝜇pulg, o 1 𝜇pulg = 0.025 𝜇m [1].

En la figura 1.12 se puede ver un esquema de la rugosidad con sus partes importantes

en una superficie plana. En general, una superficie no se puede describir sólo por su

valor q

R o a

R , ya que estos valores son promedios. Dos superficies pueden tener el

mismo valor de rugosidad, pero contar con una topografía real muy diferente [6].

Figura 1.12 Esquema de la rugosidad y ondulaciones en una superficie [1].

32

1.8.2 Tolerancias en maquinado

En cualquier proceso de manufactura existe variabilidad y las tolerancias se usan para

establecer límites permisibles de esa variación [5].

1.8.3 Acabado superficial en maquinado

La rugosidad de una superficie mecanizada depende de varios factores que pueden

agruparse de la siguiente manera [5].

a. Factores geométricos

Estos factores determinan la geometría de la superficie en una pieza maquinada estos

influyen en el tipo de proceso de maquinado, la geometría de la herramienta y el avance

[1].

b. Factores de material de trabajo

Los factores importantes del material de trabajo que afectan el acabado son: efectos de

recrecimiento del filo, deterioro a la superficie provocado por la viruta enredada en el

trabajo, desgarramiento de la superficie de trabajo durante la formación de viruta

cuando se maquinan materiales dúctiles y factores de vibración en la máquina [5].

En la tabla 1.13 se muestra varios tipos de proceso de fabricación con su respectivo

rango de rugosidad.

33

Figura 1.13 Rugosidad superficial producida por diferentes métodos de producción [10].

1.9 Métodos estadísticos

1.9.1 Método Taguchi

En los métodos de G. Taguchi (1924), la alta calidad y los bajos costos se logran

combinando la ingeniería y los métodos estadísticos para optimizar el diseño del

producto y los procesos de manufactura [1].

El diseño del sistema es la parte donde se determinan los factores que afectan la

característica de calidad. El diseño de parámetros es la parte donde se determinan los

niveles óptimos de los factores, se predice la respuesta en estos niveles y se llevan a

cabo experimentos de confirmación. Finalmente, el intervalo de confianza que

determina los límites inferior y superior de la respuesta predicha en el diseño del

parámetro se calcula en el diseño de la tolerancia [15]. Estos diseños se muestran en

la figura 1.14.

34

Taguchi ha tenido una influencia importante en el desarrollo de la ingeniería de

calidad, tanto en el diseño de productos como en el de procesos [5].

Figura 1.14 Aplicación del método Taguchi en las tres partes principales de diseño [11].

a. Función de pérdida de Taguchi

La función de pérdida de Taguchi o llamado también costo de perdida, es una

herramienta para calcular las pérdidas de las partes fabricadas y verificar si cumplen

con las especificaciones de diseño. Esta función calcula una pérdida creciente para la

compañía cuando el componente se aleja del objetivo de diseño [1].

22T)-k(Y pérdidaladeCosto (1.17)

Donde:

La constante k viene definida como:

2T)-(LSL

reemplazo de Costok (1.18)

Y : Valor medio de manufactura.

T : Valor objetivo de diseño.

: Desviación estándar de las partes de la manufactura.

k : Constante.

Diseño del sistema

- Determinación de factores

e interrelaciones

- Determinar los niveles del

factor

Parámetros de diseño

- Escoger un apropiado

arreglo ortogonal (OA)

- Asignación de factores e

interrelaciones a columnas

de OA

- Realizar el experimento

- Analizar los datos

- Determinar el óptimo nivel

de los factores

- Realizar la confirmación

experimentar

Tolerancia del diseño

- Determinación de

intervalos de confianza

35

Donde:

Si LSL = USL se pude utilizar cualquiera de los dos en la ecuación.

b. Aplicación del método Taguchi

Para la aplicación del método Taguchi se tiene una importante herramienta que se

utiliza en el diseño de parámetros llamada matrices ortogonales, que trabajan de

manera equilibrada dando a entender que cada ajuste de factor ocurre la misma

cantidad de veces para cada ajuste de todos los factores del experimento. Esto permite

estudiar paralelamente muchos parámetros de diseño y ayuda a estimar los efectos de

cada factor independientemente de los otros factores. La información obtenida sobre

los parámetros de diseño se logra en menor tiempo y con menos recursos [16].

En la aplicación del método Taguchi se necesita tener claro los factores que se van a

estudiar tales como la velocidad de corte, la profundidad, el avance y la trayectoria de

la herramienta. A continuación se determina un arreglo ortogonal apropiado que se

usará en el experimento, para obtener una exactitud en el análisis estadístico y el

tiempo/costo del proceso [16].

Para elegir la matriz ortogonal adecuada es necesario calcular los grados totales de

libertad. El grado de libertad se define como el número de relaciones entre los

parámetros del proceso, que son necesarios para definir el mejor nivel [17].

Según el método de Taguchi, el grado de libertad total ( DF ) de la matriz ortogonal

(OA) seleccionada, debe ser mayor o igual a los parámetros del proceso [18].

LSL: Límite inferior de la especificación

USL: Límite superior de la especificación

36

El DF para el sistema experimental se calcula con la ecuación 1.19:

ifnnnnnDF )1()1()1(

111 (1.19)

Donde:

En la tabla 1.9 se presenta un ejemplo de un arreglo ortogonal L9, compuesto de

manera vertical por el número de pruebas y de forma horizontal el número de factores.

Tabla 1.9 Arreglo ortogonal L9 [17].

Número

de

Prueba

Número de factores

Velocidad

cortante Avance

Corte radial de

profundidad

1 1 1 1

2 1 2 2

3 1 3 3

4 2 1 2

5 2 2 3

6 2 3 1

7 3 1 3

8 3 2 1

9 3 3 2

1.9.2 Método ANOVA

Es una herramienta poderosa utilizada en la industria para el análisis estadístico en el

control de procesos en laboratorios y control de métodos analíticos. Tiene una amplia

aplicación los dos grupos principales son: la comparación de múltiples columnas de

datos y la estimación de los componentes de variación de un proceso [6].

1n : Número de niveles de los factores

fn : Número de factores

in : Número de interacciones

37

El análisis de varianza (ANOVA) se utiliza para dar una medida de confianza al no

analizar directamente los datos, sino más bien determinar la variabilidad de ellos. La

confianza que brinda el método es medida a través de la varianza de los factores. [6]

Se ha empleado este método estadístico al estudio para determinar qué importancia

tienen los parámetros de mecanizado y cuantificar los efectos que causan sobre la

rugosidad.

a. Términos y notaciones en ANOVA

En la tabla 1.10 se detalla la simbología de las cantidades que se calculará mediante el

uso de este método. Estas cantidades y sus interrelaciones se definen a continuación.

Tabla 1.10 Términos y notaciones [6].

FC . Factor de corrección n Número de intentos

e Error (experimental) r Total de repeticiones

F Prueba F P Porcentaje de influencia

f Grados de libertad T Total de resultados

ef Grados de libertad de error S Suma de cuadrados

Tf Grados de libertad total S’ Suma pura de cuadrados

V Cuadrado medio (varianza)

b. Grados de libertad (DOF)

El DOF es una medida de la cantidad de información que se puede determinar de forma

exclusiva a partir de un conjunto dado de datos. Los grados de libertad para datos

relativos a un factor es igual a uno menos que el número de niveles, por ejemplo para

un factor A con cuatro niveles, los datos A1 pueden compararse con los datos A2, A3

y A4, pero no con sí mismo. Así, un factor de cuatro niveles tiene tres DOF. El

concepto de DOF también se aplica a las columnas de la matriz ortogonal (OAs) así

38

como a la propia matriz y los factores, el DOF de una columna es su número de niveles

menos uno [6].

El concepto de DOF también puede extenderse al experimento. Un experimento con

n ensayos y r repeticiones de cada ensayo tiene n × r ensayos. El DOF total se

convierte en [6]:

1 rnfT

(1.20)

Del mismo modo, el DOF para un término de suma de cuadrados es igual al número

de términos utilizados para calcular la suma de cuadrados y el DOF del término de

error, fe, está dado por: [6]

CBATefffff (1.21)

c. Suma total de cuadrados (T

S )

La suma de cuadrados es una medida de la desviación de los datos experimentales del

valor medio de los datos. La suma de cada desviación cuadrada enfatiza la desviación

total [6].

2

11

2

*)1

(

n

i

i

n

i

iTy

nyS

(1.22)

Donde:

iy : Promedios de las rugosidades obtenidos de cada una de las 27 caras.

n : Número de probetas

Similarmente, la suma de cuadrados de desviaciones T

S , de un valor objetivo 0

Y , viene

dada por:

39

2

0

_

2

1

_

)()( YYnYYS

n

i

iT

(1.23)

d. Varianza (V )

La varianza mide la distribución de los datos sobre la media de los datos. Debido a que

los datos son representativos de sólo una parte de todos los datos posibles [6].

f

SV

T

(1.24)

e. Relación de la varianza

La relación de varianza, comúnmente llamada estadística F , es la relación de varianza

debido al efecto de un factor y varianza debido al término de error. Esta relación se

utiliza para medir la significación del factor bajo investigación con respecto a la

varianza de todos los factores incluidos en el término de error. El valor F obtenido en

el análisis se compara con un valor de las tablas F estándar para un nivel estadístico

de significación dado. Cuando el valor F calculado es menor que el valor de la tabla

de distribución F , el factor no superar el nivel de confianza de dicha tabla. Los valores

de F se calculan mediante [6]:

e

VF

(1.25)

Donde:

F : Prueba F.

e : Error experimental.

40

f. Porcentaje de influencia ( P )

El porcentaje de contribución para cualquier factor se obtiene dividiendo la suma pura

de cuadrados para ese factor por T

S y multiplicando el resultado por 100.

TS

SP100

(1.26)

41

CAPITULO 2

Desarrollo del experimento

2.1 Factores de mecanizado para el Acero AISI P20

Los factores de mecanizado en fresado plano utilizados en el presente estudio son:

Velocidad de corte

Velocidad de avance

Profundidad radial

Estrategia

La herramienta de corte no debe detenerse durante el maquinado de la pieza de trabajo,

porque este paro puede afectar al filo de la herramienta de corte y los parámetros

establecidos no cumplirían con su función, al obtener resultados no deseados del

acabado superficial [11].

2.2 Maquinaria

El maquinado de las probetas se realizó en el centro de mecanizado EMCO Concept

Mill 260, que se encuentra en el Laboratorio de Control Numérico Computarizado de

la Universidad Politécnica Salesiana. En la figura 2.1 se observa el centro de

mecanizado EMCO Concept Mill 260.

42

Figura 2.1 Emco Concept Mill 260.

Fuente: Kevin Rivas y Nataly Granja.

En la tabla 2.1 se indica las especificaciones de la máquina.

Tabla 2.1 Datos técnicos principales de la Emco Concept Mill 260 [19].

Especificaciones Unidades Valores

Ámbito de trabajo

Recorrido del carro longitudinal (X) mm 350

Recorrido del carro transversal (Y) mm 250

Recorrido del carro útil vertical (Z) mm 300

Distancia nariz del husillo-superficie de la mesa mm 120-420

Mesa de fundición esmerilada

Superficie de sujeción (L × A) mm 520 × 300

Altura de la superficie de la mesa sobre el suelo mm 900

Carga máx. de la mesa kg 100

Tamaño de las ranuras en T según DIN 650 mm 12

Fresa husillo

Rango de velocidad - accionamiento directo min-1 150 - 10000

Torque (100/40% ED) Nm 23 / 34

Potencia (100/40% ED) [kW] 4,9 / 6,8

Portaherramientas según DIN ISO 69871-A SK 30

Pernos de apriete según DIN ISO 69 872 (similar 7388/2) M12

Accionamiento de carro

Fuerza de trabajo máx. en X / Y / Z [m/min] 10

Velocidad de marcha rápida en X, Y, Z [m/min] 24

Fuerza de avance máx. en X / Y / Z [N] 3000

Sistema de refrigerante

Contenido estándar de depósito l 140

Presión de transporte a 50 Hz bar 3.5

Eje C / dispositivo divisor NC

Altura de husillo mm 80/100

Resolución ° 0.01

Velocidad máxima min-1 40

Momento de avance máximo Nm 32/45

43

2.3 Metrología

2.3.1 Rugosímetro

Las mediciones de la rugosidad de las superficies en investigación, se realizó con

rugosímetro marca Mitutoyo modelo SJ-210 que se observa en la figura 2.2. Este

instrumento de medición se encuentra en el laboratorio de Metrología de la

Universidad Politécnica Salesiana.

Figura 2.2 Rugosímetro Mitutoyo marca SJ-210.


En la tabla 2.2 se indica las especificaciones del rugosímetro.

Tabla 2.2 Datos técnicos principales del rugosímetro Mitutoyo SJ-210 [20].

Especificaciones Valores

Rango de medición 17.5mm

Velocidad de medición 0.25, 0.5, 0.75, 1 mm/s

Unidad de control Estándar

Rango detector 360 µm (-200µm a +160 µm)

Medición de fuerza 0.75 Mn

Palpador con radio de punta 2µm

Longitud de corte (λc) 0.08, 0.25, 0.8, 2.5mm

Detector Ángulo cónico 60°

El rugosímetro SJ-210 es un instrumento de medición con el que se determinó la

rugosidad al recorrer sobre la superficie de cada una de las caras de las probetas con

una punta fina que se encuentra sujeto en la unidad conductora del rugosímetro. Se

44

realizó un barrido en línea recta. En la investigación se hizo dos trayectorias la primera

transversal al mecanizado y la segunda longitudinal al mecanizado de las probetas. Las

mediciones se obtuvieron con los siguientes parámetros: el rango de rugosidad

estimado es de 6 a 0.8 µm después del fresado como se muestra en la figura 1.13 en el

capítulo 1, con un rango de medición de 4 mm, con una longitud de corte de 0.8 mm,

a una velocidad de medición de 0.5 mm/s.

2.3.2 Durómetro

La dureza de cada probeta se obtuvo mediante el Durómetro marca Phase II como se

muestra en la figura 2.3. El durómetro marca Phase II está ubicado en el laboratorio

de Metrología de la Universidad Politécnica Salesiana, que utiliza una carga de 150

kgf para el tipo de escala Rockwell C, una precarga de 10 kgf, un indentador cónico

con punta de diamante y duración de espera de carga 5s.

Figura 2.3 Durómetro marca Phase II.


45

En cada probeta de 25x25x20 mm se utilizó la cara superior e inferior para medir la

dureza en las esquinas, como se presenta en la figura 2.4.

Figura 2.4 Puntos donde se tomaron los datos de dureza.


En la tabla 2.3 se muestra los parámetros importantes del Durómetro Phase II.

Tabla 2.3 Datos técnicos del durómetro mara Phase II [21].

Parámetros Valores

Precarga 10 kgf

Fuerza de prueba total 60 kgf ó 588.4 N, 100 kgf ó 980.7 N, 150 kgf ó 1471 N

Algunas escalas HRA, HRB, HRC, HRD, HRE, HRF, HRG, HRK

Ciclo de carga 3-8s

Duración de espera de carga 2-50s

Resolución 0.1 HR

2.4 Tratamiento térmico

2.4.1 Temple

El acero M238 se utiliza para moldes plásticos con un rango de resistencia de 950-

1100 N/mm2 y con una dureza entre 280-320 HB [7].

Primero se debe encender el horno de tratamiento térmico de temple marca

Nabertherm, se debe esperar que el horno llegue a la temperatura requerida que es de

850°C el cual se encuentra en el rango que sugiere el acero AISI P20 que es de

840-860°C e introducir las probetas. El tiempo de permanencia después del

46

calentamiento a fondo es 15 a 30 minutos y finalmente enfriar por medio de un aceite

obteniendo una dureza de aproximadamente 52-54 HRC [7].

2.4.2 Revenido

El revenido es una operación final del tratamiento térmico que se aplicó en las probetas

de acero AISI P20 después del temple y consiste en un calentamiento lento a una

temperatura de revenido 200° C, el tiempo de permanencia de las probetas en el horno

es 1 hora por cada 20 mm de espesor, el medio de enfriamiento es por aire dejándolos

por lo menos 2 horas. Este tratamiento permite eliminar o reducir las tensiones

internas que ocurre en el acero durante el temple para así obtener las propiedades

deseadas de dureza [7].

2.5 Materiales y Herramientas

2.5.1 Inserto

El inserto a utilizar es un carburo de tungsteno marca ARNO grado AK20F, es un

carburo sin revestimiento adecuado para mecanizar aleaciones a base de níquel y

fundición.

El grado AK20F tiene mayor tenacidad para el mecanizado de todos los materiales de

hierro fundido, Titanio y aleaciones de Titanio, y materiales endurecidos hasta 55 HRC

en secciones transversales de virutas medianas en condiciones de mecanizado

desfavorables y corte interrumpidos [22]. Tiene una buena resistencia de filo al

desgaste. La figura 2.5 muestra la forma de los insertos empleados en el mecanizado.

47

Figura 2.5 Inserto de carburo sin revestimiento marca ARNO con especificación APHT 1003 PDFR-

ALU.


Los insertos AK20F se utilizan típicamente en el mecanizado de fundiciones duras y

aceros duros o endurecidos, aceros templados, fundición gris, aleaciones no ferrosas

como el aluminio, aceros inoxidables austeníticos, madera y plásticos. En la tabla 2.4

se observa la composición química y las propiedades físicas del material K20.

Tabla 2.4 Propiedades físicas y químicas del acero K20 [22].

Composición química

Cobalto (Co) Tantalio carburo

(Ta)

Carburo de tungsteno

(Wc)

Carburo de niobio

(NBC)

6,25 % 4,25 % 89,50 % 4,25 %

Propiedades físicas

Dureza (HRA) Densidad (g/cc) Límite a ruptura (ksi)

92 14,73 340

La figura 2.6 indica la microestructura y el tamaño de grano que tienen los insertos de

carburo de tipo AK20F.

Figura 2.6 Ejemplo de estructura de las herramientas recubiertas [23].

48

En el mecanizado se debe tener una abundante refrigeración durante toda la operación

o trabajar en seco para evitar el choque térmico.

El inserto sólido APHT 1003PDFR-ALU de carburo sin revestimiento, se observa la

descripción en la figura 2.7.

Figura 2.7 Sistema de designación ISO para insertos indexables [24].

2.5.2 Herramienta con cuchillas insertadas

Las fresas con cuchillas insertadas se construyeron frente a las necesidades de grandes

dimensiones de herramientas para mecanizar ciertas operaciones de fresado. Este tipo

de fresas están construidas por un cuerpo de acero al carbono que puede llevar una

serie de cuchillas como: acero rápido, acero extra rápido y acero al carbono con

plaquitas de metal duro.

49

Los tipos de usos más frecuentes son: fresas de tres cortes con cuchillas paralelas,

fresas de tres cortes con cuchillas inclinadas alternativamente, fresas frontales y fresas

de forma.

El tipo de fresa para el mecanizado de este estudio es la fresa frontal debido a que se

utiliza en operaciones de planeado. Para alcanzar un máximo rendimiento en

operaciones de fresado depende de los factores de mecanizado y de la forma de la fresa

junto con sus ángulos de corte. En la figura 2.8 se representa una fresa frontal de cuatro

cuchillas con plaquitas de carburo.

Figura 2.8 Fresa frontal de cuatro chuchillas insertadas [22].

La cantidad de plaquitas en la fresa tiene relación con la calidad del material a trabajar.

En fresas frontales las plaquitas de metal duro han demostrado ser muy rentables,

porque facilitan el arranque de materiales tenaces a mayores velocidades de corte y

avance.

Para el uso adecuado de las fresas frontales se tiene presente las siguientes

recomendaciones:

Evitar golpes bruscos que provoquen la ruptura de la cuchilla

No girar equivocadamente la fresa en sentido contrario

En el retroceso alejar la fresa de la mesa para evitar rozamiento de las cuchillas

No parar el husillo cuando las cuchillas arrancan material

Ajustar la fresa de forma rígida y centrada para eliminar vibraciones

50

La herramienta es un porta-insertos de dos flancos marca ARNO de diámetro 16 mm,

en la tabla 2.5 se muestra el porta-insertos y sus características.

Tabla 2.5 Descripción de la herramienta de corte [24].

PORTA-INSERTO

Marca ARNO

Modelo 90ES.016R.P10

Filos de corte 2

Trabajo Fresado en acabado

D 16 mm

l1 25 mm

l 85 mm

dA 16 mm

2.6 Fluido de corte

El fluido de corte se encarga de lubricar, refrigerar y disminuir el calor de rozamiento

durante el mecanizado. Al utilizar fluido de corte en operaciones de maquinado se

logra obtener los siguientes beneficios.

Un mejor acabado superficial en la pieza de trabajo

A largar la vida útil de la herramienta de corte al reducir la fricción y el desgaste

Reducir la temperatura y la distorsión térmica de la pieza de trabajo

Disminuir el consumo de energía y las fuerzas

Quitar la viruta de la zona de corte para que no interfiera en el proceso

En la tabla 2.6 se presenta las temperaturas límites de trabajo de las herramientas.

Tabla 2.6 Temperaturas límites de empleo de la herramienta [25].

Carburo metálicos 750 y 900 °C

51

2.6.1 Material que constituye la herramienta

Para los aceros al carbono, dado que interesa esencialmente el enfriamiento, se

emplean las emulsiones; para los aceros rápido se orienta la elección de acuerdo con

el material a trabajar; para las aleaciones duras se trabaja en seco, o se emplea

emulsiones [25].

2.6.2 Método de trabajo

En la tabla 2.7 se indica los métodos de trabajo más empleados en la manufactura y

que fluidos de corte se recomienda utilizar en cada operación.

Tabla 2.7 Fluidos de corte según el método de trabajo [25].

Método de trabajo Fluido de corte

Tornos automáticos Aceites puros exentos en sustancias nocivas

Operaciones de rectificado Emulsiones

Agujereado Aceite puros con baja viscosidad

Fresado Emulsiones

Brochado Aceites para altas presiones de corte o emulsiones

2.6.3 Aceites emulsionables

Los aceites emulsionables también conocidos como emulsiones son obtenidos al

mezclar aceite mineral y agua, en cantidades que se muestran a continuación.

Emulsiones densas: tiene un porcentaje de 15 a 30 por ciento de aceite en agua. Tienen

un alto poder lubricante, protege la oxidación de las superficies caras mecanizadas y

son utilizados para metales duros de alta tenacidad.

Para el experimento se utilizó una emulsión densa, porque el material a mecanizar

tiene una alta dureza y la herramienta de corte es de carburo de tungsteno. A

52

continuación se muestra una tabla 2.8 donde específica como deben ser las mezclas

empleadas en estos procesos de mecanizado.

Tabla 2.8 Guía de selección de fluidos de corte [10].

Material Operación

Fresado, taladrado

Aleaciones de alta temperatura (hierro, níquel y base de

cobalto)

S2c, O5c, O7c

Donde:

S2c: S: Solución;

2: presión extrema

c: concentrado

O5c: O: aceite mineral

5: grasa + azufre +

cloro

c: concentrado

O7c: O: Aceite mineral

7: grasa + cloro

inhibido

c: concentrado


2.7 Metodología.

Para mecanizar el acero AISI P20 se considera cuatro factores, como son: Velocidad

de corte (C

V ), Velocidad de avance (a

V ), Profundidad radial (e

a ) y las trayectorias de

la herramienta de corte.

En la selección de niveles de cada factor se realizó un profundo estudio de materiales,

herramientas y cálculos que se van utilizar en el experimento.

2.7.1 Velocidad de corte

El material acero AISI P20 sometido a tratamiento térmico de templado y revenido

llega a una dureza promedio de 52,9 HRC. Para la elevada dureza obtenida se utiliza

los valores recomendados por el fabricante del material, el porta-insertos y el material

53

de la herramienta de corte, para establecer un rango de trabajo adecuado de la

herramienta de corte en operaciones de fresado plano, como se muestra en la tabla 2.9.

Tabla 2.9 Velocidad de corte para el acero AISI P20 recomendado por los

fabricantes.

Parámetros de Corte Fabricante

Material Porta-inserto Inserto

Velocidad de corte (𝑉𝑐) m/min 10 -150 110 - 350 25 - 35 Fuente: Kevin Rivas y Nataly Granja.

Por tanto el rango de la velocidad de corte utilizado en el experimento es del fabricante

del inserto que permite trabajar eficientemente a 25 – 35 mm/min hasta durezas de 55

HRC.

2.7.2 Velocidad de avance

La velocidad de avance se calcula con la siguiente formula:

zfVza (2.1)

Donde:

: Revoluciones por minuto

zf : Avance por diente

z : Número de dientes

El avance por diente que recomienda el fabricante del material AISI P20 tiene un rango

que se puede observar en la tabla 1.8 del capítulo 1.

Pero también para el diámetro de la fresa de 16 mm, el fabricante de la herramienta

indica un rango de trabajo que se muestra en la tabla 2.10.

Tabla 2.10 Datos recomendados de corte del porta-insertos [24].

Material Acabado

CV [m/min] z

f [mm]

Acero no aleados y aleados 110 - 350 0,05 – 0,10

54

El z

f que utilizado para el cálculo de la velocidad de avance es 0.085 mm.

2.7.3 Profundidad radial

La profundidad radial de corte debe ser inferior a 0,9 por el diámetro de la herramienta

[12], es decir:

Dae

9.0 (2.2)

Donde:

ea : Profundidad radial

D : Diámetro de del porta-insertos

ea = 14,4 mm

El 14,4 mm es el valor máximo para un proceso de desbaste. El presente estudio es un

proceso de acabado por eso se utilizó solo el 30 % del valor calculado.

En la tabla 2.11 se muestra los niveles de profundidad radial a utilizar en función de

la rugosidad que se estima obtener.

Tabla 2.11 Niveles para la profundidad radial.

Parámetro

Nivel

1 (30%) 2 (60%) 3 (100%)

Profundidad radial (mm) 1,29 2,59 4,32 Fuente: Kevin Rivas y Nataly Granja.

A continuación la tabla 2.12 presenta los valores para los tres niveles de los factores

pata trabajar en el estudio del mecanizado del material AISI P20.

Tabla 2.12 Factores y niveles.

Parámetros

Niveles

1 2 3

A Velocidad de corte (m/min) 25 30 35

B Velocidad de avance (mm/min) 84,549 101,461 118,371

C Estrategia Zigzag Zig (convencional) Zigzag (90°)

D Profundidad radial (mm/diente) 1,29 2,59 4,32 Fuente: Kevin Rivas y Nataly Granja.

55

2.7.4 Estrategias de mecanizado

Las estrategias de mecanizado están en función del fresado plano y del recorrido de la

herramienta de corte que se genera por medio de un software CAM. Para tener una

calidad óptima de acabado superficial y confianza al mecanizar se aplican restricciones

de seguridad en cada recorrido de la herramienta de corte.

Las estrategias de mecanizado son generadas por medio del software CAM. Donde el

diseñador del programa establece parámetros de recorrido específicos para cada

aplicación y acabado superficial deseado.

En la tabla 2.13 se indican tres estrategias del mecanizado que dan los mejores

resultados en superficies planas y rugosidades homogéneas.

Tabla 2.13 Estrategias de mecanizado utilizadas en el estudio.

a) Zigzag

b) Zig

Convencional

c) Zigzag

90°


El tiempo de mecanizado varía para cada recorrido de la herramienta de corte en

función del paso lateral.

56

Ejercicio de cálculo.

Para la velocidad de corte se utilizó los valores que el fabricante del inserto

recomienda, como se indica en la tabla 2.14.

a. Velocidad de corte (Vc )

Tabla 2.14 Rango para los niveles de la velocidad de corte.

Parámetro de corte Inserto de metal duro

Velocidad de corte (Vc ) m/min 25-35 Fuente: Kevin Rivas y Nataly Granja.

1cV = min/25 m 2c

V = min/30 m 3cV = min/35 m

b. Velocidad de Avance (a

V )

zfnVza min/mm

D

Vn

c

1000

1 D

Vn

c

1000

2 D

Vn

c

1000

3

rpmn

mm

mn

35,497

16

1000min/25

1

1

rpmn

mm

mn

83,596

16

1000min/30

2

2

rpmn

mm

mn

30,696

16

1000min/35

3

3

c. Avance por diente asignado por el fabricante de la herramienta

x = z

f = 0.085 mm/diente (Interpolación)

min/549,84

2/085.0min/35,497

1

1

11

mmV

dientesdientemmrevV

zfnV

a

a

za

min/461,101

2/085.0min/83,596

2

2

12

mmV

dientesdientemmrevV

zfnV

a

a

za

57

min/371,118

2/085.0min/30,696

3

3

13

mmV

dientesdientemmrevV

zfnV

a

a

za

d. Profundidad radial (e

a )

mma

mma

Da

e

e

e

4.14

)16(9.0

9.0

30% valor máximo = mm32.4)4.14%(30

El 4,32 mm se toma como valor máximo y se divide en tres niveles de 30%, 60% y el

100%, como se indica en la tabla 2.15.

Tabla 2.15 Niveles para el factor velocidad de avance.

mmae

29.11 30%

mmae

59.22 60%

mmae

32.43 100%


58

CAPITULO 3

Análisis de datos

3.1 Diseño del experimento

Para el mecanizado del acero AISI P20 se utilizó una base de aluminio con 9

alojamientos, donde se empernaron las 14 probetas para planear las superficies

superior y posterior de cada probeta. El mecanizado se dividió en cuatro operaciones

como se observa en la figura 3.1.

a) Probetas con estrategias del 1 al 9

b) Probetas con estrategias del 10 al 18

c) Probetas con estrategias del 19 al 23

d) Probetas con estrategias del 24 al 27

Figura 3.1 Diseño de probetas


Para el diseño de la base se consideró el tamaño de la mesa y el recorrido máximo en

los ejes x, y del centro de mecanizado EMCO. Las medidas de la base son de

165x165x25 mm con una profundidad en los alojamientos para cada probeta de 10

59

mm, y las probetas tienen las medidas de 25x25x20 mm con un perno allen M6 en el

centro para la sujeción.

3.2 Autodesk inventor

Autodesk inventor es un paquete de modelado paramétrico de sólidos en 3D, que

integra AutoCAD, para crear prototipos digitales en base a un conjunto de

herramientas de diseño mecánico. Este software es producido por la empresa Autodesk

que compite contra otros programas de diseño como SolidWorks, ProENGINEER,

Catia y solid Edge.

Las características del software son:

Diseño mecánico en 3D, documentación y simulación de productos.

Creación de prototipos digitales para validar y diseñar los productos antes de ser

fabricados.

Valida los prototipos digitales por medio de análisis de elementos finitos y

simulación dinámica.

Las ventajas que ofrece Autodesk Inventor son amplias dentro del mecanizado para

piezas plásticas, diseño de sistemas complejos y automatizar facetas claves del diseño,

lo que significa tener menos errores y no fabricar prototipos físicos.

Con el análisis de tensión y de simulación de movimiento ayudan a prever cómo

funcionará el diseño en condiciones reales, para sacar mejores productos al mercado

en menos tiempo.

60

3.2.1 Inventor HSM (Herramienta de manufactura asistida por computadora)

Es un programa que integra soluciones CAM, para producir prototipos o piezas

terminadas al combinar con el software inventor CAD. Este programa proporciona

estrategias de fresado 2D, 3D, de 5 ejes de alta calidad, y rutas de herramienta que

giran para mecanizado de alta velocidad.

Las características del software son:

Permite simular el proceso de maquinado, mostrando la efectividad de las rutas de

corte generadas.

Genera el código en formato de texto que permite posicionarse en cualquier línea

de código determinada. El código es compatible con gran variedad de máquinas

porque tiene un postprocesador genérico de fabricantes como: Fanuc, Heidenhain,

Haas, Hurco, Mazak, MillPlus, Okuma, Siemens, Yasnak, etc.

3.3 Programación del maquinado en Inventor HSM

Las 27 combinaciones de factores y niveles se programaron en inventor HSM. Los

pasos de programación para planeado se describe a continuación:

Abrir el archivo con inventor HSM como se indica en la figura 3.2.

Figura 3.2 La cinta de opciones de comandos de Inventor HSM.


61

a. Para hacer la operación de planeado, como se observa en la figura 3.3.

Crear configuración,

Definir el sistema de coordenadas de trabajo (SCT) y el modelo.

Asignar la sobre medida de acabado de 0,05 mm.

Figura 3.3 Configuración del modelo a mecanizar.


b. En el planeado se selecciona la opción cara y en la opción herramienta se

selecciona el tipo y el diámetro de herramienta como se indica en la figura 3.4.

Figura 3.4 Selección de fresa plana Ø16 mm en la biblioteca de herramientas.


62

c. En la ventana herramientas se edita los factores como velocidad de corte y

velocidad de avance de mesa, como se muestra en la figura 3.5.

Figura 3.5 Cuadro de dialogo de la herramienta.


d. Seleccionar geometría para definir la cara donde se va a mecanizar, como se

observa en la figura 3.6.

Figura 3.6 Selección del plano a mecanizar.


63

e. Para editar la ruta de la herramienta se define la trayectoria y para la

profundidad radial en la opción sobrepasada, como se observa en la figura

3.7.

Figura 3.7 Selección de la orientación de la herramienta.


Al final se tiene la programación como se muestra en la figura 3.8 de las primeras

nueve combinaciones a mecanizar.

Figura 3.8 Cuadro de simulación con las combinaciones del uno al nueve.


El procesado posterior se ejecuta una vez terminado la simulación del mecanizado.

Para transformar a un lenguaje de código que el centro de mecanizado EMCO pueda

64

leer se hace clic en la opción ejecutar procesamiento posterior. La configuración de

publicación que la máquina reconoce se llama siemens SINUMERIK 802D, se edita

la carpeta donde se guarda el código y publicar. Ejemplo de código de programación

se muestra en el Anexo 1.

3.4 Medición de dureza de las probetas

En la figura 3.9 se muestra las fotografías del proceso de medición de la dureza en el

durómetro digital Phase II.

Figura 3.9 Durezas de las probetas antes del mecanizado.


La medición de la toma de datos de la dureza de las 27 probetas tratadas térmicamente

antes y después del mecanizado se indica en la tabla 3.1.

65

Tabla 3.1 Dureza de las caras antes y después del mecanizado.

ENSAYO DE DUREZA

# Prob. Antes de mecanizar

Prom Después de mecanizar

Prom. 1 2 3 4 1 2 3 4

1 53,4 53,1 53,2 53,5 53,3 53,9 54,2 54,1 54,2 54,5

2 53,9 53,4 53,3 53,3 53,5 54,9 54,3 55,3 54,8 53,7

3 51,1 49,8 50,9 54,2 51,5 54 54,1 46,7 52,4 53,3

4 48,9 50,1 53,3 53,3 51,4 54,5 54,4 54,8 55 50,7

5 50,1 49,8 53,8 53,1 51,7 51,7 53,1 51,2 49,4 51,6

6 53 53,5 54 53,7 53,6 53,3 51,7 53,6 51,2 54,7

7 53,2 54,3 54,3 54,3 54,0 51,8 53,5 52,8 54,4 53,0

8 52,4 53,6 53,3 53,4 53,2 54,5 55,4 54,7 54,4 55,2

9 53,4 53,4 53,1 53,6 53,4 53,9 54,1 55,9 54 55,3

10 49,8 53,5 53,6 46,4 50,8 52,4 53,8 53,7 54,7 54,8

11 49,7 51,9 53,7 53,1 52,1 54 55,2 49,2 54,8 54,7

12 53,4 53,8 53,4 53,7 53,6 50,6 48 50,4 53,6 55,6

13 51,3 53,9 53,7 53,2 53,0 54,4 50,8 49,1 52 54,7

14 54,2 53,5 53 53,5 53,6 54,6 54,8 54,5 54,9 51,4

15 48,3 53 48,7 53,7 50,9 53,7 53,5 52,5 52,2 55,4

16 53,8 54,1 54,1 53,8 54,0 54,9 55 55,6 55,4 54,8

17 54,2 53,8 53,6 53,4 53,8 55,1 54,8 55,3 55,8 53,0

18 53,2 54,6 55,1 53,6 54,1 54,5 55,1 54,8 54,6 55,0

19 53,9 54,1 54,3 54,1 54,1 54,7 54,9 55 54,1 54,1

20 54,4 54,6 54,2 54,1 54,3 54,7 55,2 56,1 56,2 55,6

21 53,5 53,7 50,9 54,4 53,1 55,1 54,4 55 54,4 54,7

22 53,4 51,8 52,7 47,8 51,4 51,7 55,2 50 48,8 51,4

23 52,8 53,4 54,1 53,7 53,5 56,6 55 54,9 55,1 55,4

24 53,7 52,4 53,2 48,3 51,9 54,4 55,8 54,8 54,2 54,8

25 51,3 52,4 53,4 53,9 52,8 52,7 54,3 53 51,9 53,0

26 52,4 53,9 49,7 51,2 51,8 55,3 54,6 55,2 54,8 55,0

27 54,1 53,2 53,1 53,9 53,6 53,8 54,6 54,8 53,1 54,1

Promedio total 52,9 Promedio total 54,0


La figura 3.10 representa los valores medidos en los ensayos de dureza antes y después

del mecanizado, con la línea naranja los valores medidos después del mecanizado y la

línea azul son los valores medidos antes del mecanizado, como resultado se tiene un

aumento porcentual al promedio total de 2,07%.

66

La mayoría de los resultados después del mecanizado presentan un aumento en la

dureza, esto se debe a la presencia de Cromo 2 %, Magnesio 1,5%, Molibdeno 0,20

%, que al hacer contacto con la herramienta de corte endurecen fácilmente la superficie

del material.

Figura 3.10 Representación de la variación de dureza antes y después del mecanizado.


3.5 Maquinado de las probetas

Las probetas que se presentan en la figura 3.11 son el resultado obtenido después del

mecanizado.

Figura 3.11 Superficie plana mecanizada.


50

51

52

53

54

55

56

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30

Dure

za e

n H

RC

Caras mecanizadas

Ensayo de dureza

Antes de mecanizado

Después del mecanizado

67

En la tabla 3.2 se muestra las rugosidades de cada probeta tomadas en posición

trasversal y longitudinal con su respectivo promedio de rugosidad.

Tabla 3.2 Arreglo ortogonal de Taguchi con los resultados de rugosidad medidos.

DATOS MEDIDOS DE LA RUGOSIDAD

#

Pro-

beta

(A)

Velocidad

de corte

(m/min)

(B)

Avance

(mm/min)

( C )

Trayectoria

(D)

Profun-

didad

Radial

(mm)

Toma de datos

R.

Prom.

Trans-

versal

Longi-

tudinal

Ra1 Ra2 Ra3 Ra4

1 25 84,55 ZIGZAG 1,29 0,14 0,16 0,15 0,09 0,132

2 25 84,55 ZIG 2,59 0,27 0,13 0,12 0,15 0,165

3 25 84,55 ZIGZAG 90 4,32 0,17 0,17 0,12 0,15 0,152

4 25 101,461 ZIGZAG 2,59 0,16 0,17 0,12 0,12 0,141

5 25 101,46 ZIG 4,32 0,22 0,19 0,15 0,13 0,171

6 25 101,46 ZIGZAG 90 1,29 0,19 0,20 0,12 0,15 0,164

7 25 118,37 ZIGZAG 4,32 0,24 0,23 0,13 0,18 0,194

8 25 118,37 ZIG 1,29 0,22 0,16 0,10 0,20 0,172

9 25 118,37 ZIGZAG 90 2,59 0,29 0,27 0,28 0,26 0,274

10 30 84,55 ZIGZAG 2,59 0,62 0,64 0,16 0,66 0,520

11 30 84,55 ZIG 4,32 0,49 0,71 0,18 0,79 0,543

12 30 84,55 ZIGZAG 90 1,29 0,29 0,30 0,33 0,31 0,307

13 30 101,46 ZIGZAG 4,32 0,24 0,27 0,27 0,18 0,239

14 30 101,46 ZIG 1,29 0,35 0,44 0,10 0,48 0,341

15 30 101,46 ZIGZAG 90 2,59 0,67 0,42 0,25 0,66 0,501

16 30 118,37 ZIGZAG 1,29 0,33 0,61 0,28 0,85 0,519

17 30 118,37 ZIG 2,59 0,51 0,53 0,26 0,66 0,488

18 30 118,37 ZIGZAG 90 4,32 0,47 0,40 0,40 0,12 0,348

19 35 84,55 ZIGZAG 4,32 0,13 0,24 0,20 0,15 0,179

20 35 84,55 ZIG 1,29 0,10 0,11 0,11 0,13 0,115

21 35 84,55 ZIGZAG 90 2,59 0,13 0,14 0,12 0,11 0,124

22 35 101,46 ZIGZAG 1,29 0,16 0,14 0,07 0,10 0,114

23 35 101,46 ZIG 2,59 0,16 0,19 0,13 0,12 0,149

24 35 101,46 ZIGZAG 90 4,32 0,34 0,40 0,32 0,35 0,351

25 35 118,37 ZIGZAG 2,59 0,19 0,20 0,24 0,22 0,211

26 35 118,37 ZIG 4,32 0,15 0,40 0,38 0,18 0,276

27 35 118,37 ZIGZAG 90 1,29 0,16 0,30 0,26 0,35 0,265

Promedio total 0,27

Fuente: Kevin Rivas y Nataly Granja

68

En la figura 3.12 se presenta la gráfica de resultados de la rugosidad vs velocidad de

corte para una trayectoria ZIG-ZAG.

Figura 3.12 Gráfica de la rugosidad vs velocidad de corte para la estrategia de ZIG-ZAG.


El menor valor de rugosidad es de 0,114 µm para la trayectoria ZIG-ZAG con una

velocidad de avance de 101,461 m/min y velocidad de corte de 35m/min. Por lo

contrario el peor resultado de rugosidad es 0,52 µm con velocidad de avance de 84,551

m/min y velocidad de corte de 30 m/min. La línea azul son los resultados de la

rugosidad con velocidad de avance de 84,551 m/min, la línea naranja con velocidad

de avance de 101,461 m/min y la línea gris con velocidad de avance de 118,371 m/min.


corte para una trayectoria ZIG.

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0.55

24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36

Rugo

sid

ad

Velocidad de corte

Gráfica para la estrategia ZIG-ZAG

Va=84,55 m/min Va=101,461 m/min

Va=118,371 m/min

69

Figura 3.13 Gráfica de la rugosidad vs velocidad de corte para la estrategia de ZIG.


El menor valor de rugosidad es de 0,1145 µm para la trayectoria ZIG con una

velocidad de avance de 84,551 m/min y velocidad de corte de 35m/min. Por lo

contrario el peor resultado de rugosidad es 0,542 µm con velocidad de avance de

84,551 m/min y velocidad de corte de 30 m/min.


corte para una trayectoria ZIG-ZAG 90°.

Figura 3.14 Gráfica de la rugosidad vs velocidad de corte para la estrategia de ZIG-ZAG 90°.


00.050.1

0.150.2

0.250.3

0.350.4

0.450.5

0.55

24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36

Rugosi

dad

Velocidad de corte

Gráfico para la estrategia ZIG

Vc=84,551 m/min Vc=101,461 m/min

Vc=118,371m/min

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0.55

24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36

Rugo

sid

ad

Velocidad de corte

Gráfica para la trayectoria ZIG-ZAG 90°

Vc=84,551 m/min Vc=101,461 m/min

Vc=118,371 m/min

70

El menor valor de rugosidad es de 0,124 µm para la trayectoria ZIG-ZAG 90° con una

velocidad de avance de 84,551 m/min y velocidad de corte de 35 m/min. Por lo

contrario el peor resultado de rugosidad es 0,50 µm con velocidad de avance de

101,461 m/min y velocidad de corte de 30 m/min.

Para la predicción de la rugosidad en los tres niveles de trayectorias se empleó un

software estadístico, que permite obtener graficas en 3D de la superficie y una

ecuación de regresión estadística que predice los parámetros de rugosidad, siempre y

cuando se encuentren dentro del rango utilizado en esta investigación.

La figura 3.15 muestra la superficie de la rugosidad vs velocidad de corte y velocidad

de avance para una trayectoria ZIG-ZAG en un modelo 3D, con su respectiva ecuación

de regresión estadística, con la cual se calcula la rugosidad promedio (a

R ) que se

lograría obtener al mecanizar con los parámetros establecidos dentro del nivel de

trayectoria ZIG-ZAG.

Figura 3.15 Gráfica de rugosidad vs velocidad de corte y avance en 3D para la trayectoria ZIGZAG.


BABRa

**00009,0*003,0A* 0,010 -0,15 (3.1)


de avance para una trayectoria ZIG en un modelo 3D, con su respectiva ecuación de

regresión estadística, con la cual se calcula la rugosidad promedio (a

R ) que se lograría

71

obtener al mecanizar con los parámetros establecidos dentro del nivel de trayectoria

ZIG.

Figura 3.16 Gráfica de rugosidad vs velocidad de corte y avance en 3D para la trayectoria ZIG.


BABRa

** 0,00046*- 0,0126A*- 0,0451,51 (3.2)


de avance para una trayectoria ZIGZAG 90° en un modelo 3D, con su respectiva

ecuación de regresión estadística, con la cual se calcula la rugosidad promedio (a

R )

que se lograría obtener al mecanizar con los parámetros establecidos dentro del nivel

de trayectoria ZIG-ZAG 90°.

Figura 3.17 Gráfica de rugosidad vs velocidad de corte y avance en 3D para la trayectoria ZIGZAG

90°.


BABRa

** 0,000053* 0,0014A *- 0,0004 -0,02 (3.3)

72

3.6 Desgaste de la herramienta de corte

El desgaste de la herramienta es un factor muy importante que influye en el acabado

superficial ubicado en dos lugares principales, en la parte superior de inclinación y en

la superficie de incidencia. En la investigación se tiene que la herramienta

de corte sufrió un desgaste por adhesión ocurrido por el contacto a altas presiones

y temperaturas, como se puede observar en la foto de la microestructura del inserto de

carburo de tungsteno (WC) tomada con el microscopio del laboratorio de

Metrología de la Universidad Politécnica Salesiana, que se muestra en la figura 3.18.

a) Microestructura sin desgaste b) Microestructura con desgaste

Figura 3.18 Microestructura del inserto antes y después del mecanizado.


3.7 Desarrollo de Anova

En el desarrollo del análisis estadístico para el experimento se calculó los grados de

libertad para cada factor y para el arreglo ortogonal que se empleó en el mecanizado.

Los grados de libertad es igual a el número de niveles menos uno, como por ejemplo

para la velocidad de corte tendrá 2 grados de libertad y para el arreglo ortogonal L27

con cuatro factores y tres niveles tendrá de 26 grados de libertad.

73

3.7.1 Ejemplo de cálculo para el factor ( A ) velocidad de corte

a. Suma total de cuadrados

Con la ecuación 1.22 descrita en el capítulo 1 del método Anova, se calcula

directamente la suma total de cuadrados.

2

11

2

*)1

(

n

i

i

n

i

iTy

nyS

40705,226,0...15,016,013,0.....222222

3

2

2

2

1

1

2

n

n

i

iyyyyy

89475,1)26,0...15,016,013,0(27

1*)

1(.

2

2

1

n

i

iy

nFC

89475,140705,2 T

S

mST

5123,0

b. Varianza para el factor A

En el cálculo de la varianza se tiene que determinar un T

S para cada factor, con la

fórmula que se muestra a continuación.

FCAKr

S

n

i

i

L

k

AT.*)

1(

2

11

,

Donde:

L : Número de niveles

r : total de repeticiones por cada nivel del factor = 9

Nivel 1, L = 1; r = 9

2

11

*)1

(

n

i

i

L

k

ALr

74

9

0,2740,1720,1940,1630,17110,1410,1510,1640,1322

mAr

n

i

i

L

k

27196,01*)1

(

2

11

Nivel 2, L = 2; r = 9

2

11

2*)1

(

n

i

i

L

k

Ar

9

0,3470,4880,5180,500,3410,2380,3070,5420,5202

mAr

n

i

i

L

k

60867,12*)1

(

2

11

Nivel 3, L = 3; m = 9

2

11

3*)1

(

n

i

i

L

k

Ar

9

0,2640,2760,2100,3500,1490,1140,1240,1150,1792

mAr

n

i

i

L

k

35323,03*)1

(

2

11

89475,135323,060867,127196,0,

AT

S

mSAT

35323,0,

Una vez que se determinó la suma de cuadrado del factor A , se aplica la fórmula de

la varianza que se encuentra descrita en la sección d del método Anova.

f

SV

AT

A

,

mVA

16956,02

35323,0

75

c. Error

Para el cálculo del error en la suma de cuadrados se emplea la ecuación 3.4:

)(DCBATe

SSSSSS (3.4)

mSe

13604,0)01171,000333,00221,033911,0(5123,0

mSe

13604,0

Para el cálculo del error de la varianza se emplea la ecuación 3.5:

e

e

e

f

SV

(3.5)

mVe

00756,0)826(

13604,0

d. Prueba F

Se determinó con la ecuación 1.25 descrita en la sección e del método Anova. En este

ejemplo se hace para el factor A .

Ve

VF

A

A

43,2200756,0

16956,0

AF

e. Porcentaje de influencia P

Para el cálculo se utilizó la ecuación 1.26 descrita en la sección f del método Anova.

En este ejemplo se hace para el factor A .

T

AT

SSP

100

,

%19,665123,0

10033911,0 P

76

En la tabla 3.3 se presenta todos los resultados de cada factor estudiados en el

experimento.

Tabla 3.3 Resultados del método Anova.

Parámetros DF S V Valor

F % P

(A) Velocidad de corte (m/min) 2 0,339 0,169 22,43 66,19

(B) Velocidad de avance de mesa (mm/min) 2 0,022 0,011 1,46 4,31

(C) Estrategia 2 0,003 0,001 0,22 0,65

(D) Profundidad radial (mm/diente) 2 0,011 0,005 0,77 2,29

ERROR 18 0,136 0,007 26,56

(T

S ) Total 26 0,512 100 Fuente: Kevin Rivas y Nataly Granja.

3.8 Prueba de hipótesis

Para la validación de los resultados del experimento se aplica la prueba de hipótesis

en base a los resultados del valor F . En una prueba de hipótesis se analiza dos

hipótesis opuestas: la hipótesis nula y la hipótesis alternativa. Se acepta o rechaza una

afirmación acerca de una población al comparar el resultado en la tabla de distribución

F al 95% de confianza.

3.8.1 Hipótesis nula

La hipótesis nula es una afirmación que investigadores establecen respaldándose en

documentos científicos previos o en su conocimiento.

Con apoyo de la tabla de distribución F al 95 % de confianza, se estable un

parámetro, para verificar los resultados del experimento de cada factor. Si el valor es

igual o se encuentra dentro del rango de aceptación, la hipótesis nula se acepta.

77

3.8.2 Hipótesis alternativa

La hipótesis alternativa es lo contrario de la hipótesis nula. Se establece un valor

diferente al asignado a la hipótesis nula, que espera probar que es cierto. Si los

resultados de los factores se encuentran fuera del rango de aceptación, la hipótesis

alternativa se acepta.

3.9 Análisis de resultados

En la validación de los resultados influyentes se utilizó la tabla de distribución F

mediante la prueba de hipótesis.

El parámetro que se establece para la comparación, se obtiene de la tabla de

distribución F . Ingresando en la columna f2 con el error de los grados de libertad que

son 18 y en la fila de f1 con los grados de libertad de cada factor que para todos es

igual a 2, el valor es de 3,5546.

La tabla 3.4 es una distribución de probabilidad continua. Se utiliza para compara las

varianzas de dos distribuciones.

Tabla 3.4 Tabla de distribución F al 95% de confianza [6] .

f1 = número de grados de libertad del numerador

f2 = número de grados de libertad del denominador

f1

f2 1 2 3

1 161,45 199,5 215,71

2 18,513 19 19,614

3 10,128 9,5521 9,2766

4 7,7086 6,9443 6,5914

5 6,6079 5,7861 5,4095

6 5,9874 5,1433 4,7571

7 5,5914 4,7374 4,3468

8 5,3177 4,4599 4,0662

78

Continuación de la tabla 3.4

9 5,1174 4,2565 3,8626

10 4,9646 4,1028 3,7083

11 4,8443 3,9823 3,5874

12 4,7472 3,8853 3,4903

13 4,6672 3,8056 3,4105

14 4,6001 3,7389 3,3439

15 4,5431 3,6823 3,2874

16 4,494 3,6337 3,2389

17 4,4513 3,5915 3,1968

18 4,4139 3,5546 3,1599

19 4,3808 3,5219 3,1274

20 4,3513 3,4928 3,0984

21 4,3248 3,4668 3,0725

22… 4,3009 3,4434 4,0491

El factor ( A ) velocidad de corte tiene un resultado de valor F igual a 22,43, siendo

mayor que 3,55. Lo que significa que existe diferencia estadística significativa en el

origen de las variaciones para la velocidad de corte y se acepta la hipótesis alternativa,

como se indica en la figura 3.19.

Figura 3.19 Campana de verificación de hipótesis para el valor F .


El factor (B) velocidad de avance tiene un resultado de valor F igual a 1,46, siendo

menor que 3,55. Lo que significa que no existe diferencia estadística significativa en

el origen de las variaciones para la velocidad de avance y se acepta la hipótesis nula,

como se indica en la figura 3.20.

79





El factor (C) estrategia tiene un resultado de valor F igual a 0,22, siendo menor que

3,55. Lo que significa que no existe diferencia estadística significativa en el origen de

las variaciones para la estrategia y se acepta la hipótesis nula, como se indica en la

figura 3.22.



80

El factor (D) profundidad radial tiene un resultado de valor F igual a 0,77, siendo

menor que 3,55. Lo que significa que no existe diferencia estadística significativa en

el origen de las variaciones para la profundidad radial y se acepta la hipótesis nula.

La tabla 3.5 permite determinar cuál de los factores empleados en el estudio es más

influyente y cual el menos influyente estadísticamente. Se tiene como resultado el

factor (A) con más variación estadística y el factor (C) con menor variación estadística.

Para el cálculo de delta se utiliza la ecuación que se presenta a continuación.

Delta= valor máximo(promedio niveles) –valor mínimo (promedio niveles) (3.6)

Tabla 3.5 Tabla de evaluación de niveles según sus factores.

Nivel (A) Velocidad de corte

(µm)

(B) Avance

(µm)

(C ) Estrategias

(µm)

(D)

Profundidad

radial (µm)

1 0,1711 0,2467 0,2489 0,2344

2 0,4233 0,2400 0,2678 0,2844

3 0,1967 0,3044 0,2744 0,2722

Delta 0,2522 0,0644 0,0189 0,0500

Rank 1 2 4 3

Rmean 0,26 Fuente: Kevin Rivas y Nataly Granja.

W = 0,1711 µm X = 0,24 µm Y = 0,2489 µm Z = 0,2344 µm

3.10 Predicción de la rugosidad superficial óptima

La figura 3.23 permite visualizar como varia la rugosidad en función de los niveles

para cada factor. Como se observa el factor ( A ) velocidad de corte es el más influyente

estadísticamente para el valor promedio de la rugosidad superficial. Los niveles

óptimos de los factores para obtener una rugosidad óptima se indica en la tabla 3.6:

81

Tabla 3.6 Niveles óptimos de los factores utilizados en el estudio.

(A) Velocidad de corte

(B) Avance

(C) Trayectoria

(D) Profundidad

radial

25 m/min, 101,46 mm/min, ZIG-ZAG, 1,29 mm


Figura 3.23 Gráfica de la rugosidad vs niveles para cada factor.


3.11 Resultados

La cara N°22 tiene el promedio más bajo de rugosidad con las condiciones de

mecanizado que se observa en la tabla 3.7:

Tabla 3.7 Niveles de los factores con resultado de rugosidad más bajo.

(A) Velocidad de corte

(B) Avance

(C) Trayectoria

(D) Profundidad

radial

35 m/min 101,46 mm/min, ZIG-ZAG, 1,29 mm


Las cuales fueron comparadas con la figura 3.23 para verificar si existe una mejor

condición de mecanizado que permita obtener una rugosidad óptima.

82

En la cara N° 28 se realizó un nuevo mecanizado basado en la figura 3.23 que indica

los parámetros óptimos para determinar un mejor acabado superficial como se puede

observar en la tabla 3.8.

Tabla 3.8 Los mejores parámetros de corte en el mecanizado.

Cara

N°

(A)

Velocidad

de corte

(m/min)

(B)

Avance

(mm/min)

(C)

Trayectoria

(D)

Profundidad

radial (mm)

Ra1

(µm)

Ra2

(µm)

Ra3

(µm)

Ra4

(µm)

Rmean

(µm)

28 25 101,46128 ZIG-ZAG 1,29 0,072 0,145 0,124 0,009 0,110


Pero así también se presentó el peor escenario en la cara N° 11 con el promedio de

rugosidad más alta de 0,5427 µm como se puede ver en la figura tabla 3.9.

Tabla 3.9 Los peores parámetros de corte en el mecanizado.

Cara

N°

(A)

Velocidad

de corte

(m/min)

(B)

Avance

(mm/min)

(C)

Trayectoria

(D)

Profundidad

radial (mm)

Ra1

(µm)

Ra2

(µm)

Ra3

(µm)

Ra4

(µm)

Rmean

(µm)

11 30 84,551 ZIG 4,32 0,49 0,71 0,18 0,79 0,5427


Según los datos de la tabla 3.5 la rugosidad óptima acorde a Taguchi se puede obtener

con la ecuación 3.7.

meanoptRZYXWR 3 (3.7)

Donde:

ZYXW : Es el valor menor de los promedios de cada nivel, que se

muestran en la tabla 3.5.

meanR : Es el promedio de total de todas las rugosidades.

83

Para la rugosidad óptima se calculó:

mRopt

0844,0)27001,0(32344,02489,024,01711,0

Para validar el proceso, se utiliza un intervalo de confianza ( CI ), que se calcula con

la siguiente ecuación 3.8.

RpneffVeDFeFCI

11**),1(

(3.8)

Donde:

DFe : Grados de libertad del error tomado de la tabla de distribución F .

F(1,18)=4,4139

Ve : La varianza del error que se muestra en la tabla 3.5.

Rp : Es el número de mediciones de rugosidad en las caras. Rp = 4

El valor de neff es número efectivo de replicaciones y se calcula con la siguiente

ecuación 3.9.

tV

Nneff

1

(3.9)

Donde:

N : Número total de pruebas.

tV Número total de grados de libertad de los factores que más influyen.

921

27

neff

Entonces, el intervalo de confidencia:

mCI 1097,04

1

9

1*00756,0*4139,4

Por lo tanto el rango de la rugosidad óptima es 0,0844 ±0,1097.

84

La toma de datos se realizó cuatro veces en la cara N° 28, mecanizada con los niveles

óptimos para obtener una rugosidad mejorada. El promedio de la rugosidad óptima es

de 0,110 µm. El resultado obtenido se encuentra dentro del rango del proceso de

optimización, comprando así la validez del estudio.

3.12 Costos de experimento

En los costos del experimento se ha considerado todos los procesos desarrollados hasta

la obtención final de los resultados de la rugosidad superficial.

En la tabla 3.10 se muestra los detalles de cada actividad y materiales adquiridos.

Tabla 3.10 Análisis de costos para un mecanizado plano en AISI P20.

Análisis de costos

Detalle de costos Cantidad Tiempo Costo

Base de aluminio 1 - $73,56

Tratamiento térmico. 14 probetas en Bohler - - $5,60

Probetas 14 - $29,79

Fabricación de probetas y base de aluminio -- 24 horas $250

Porta-insertos 1 $150

Insertos 10 $157,5

Maquinado en el centro de mecanizado

EMCO Concept Mill 260

- 8 horas $160

Total $816,45 Fuente: Kevin Rivas y Nataly Granja

85

Conclusiones

Los factores de mecanizado seleccionados para el experimento muestran una gran

influencia en el acabado superficial. El factor velocidad de corte tiene una

influencia significativa del 66,19% en los promedios de la rugosidad en todos los

niveles a comparación del avance con 4,31%, trayectoria con 0,65 %, y

profundidad radial con 2,29 % que al sumar con el porcentaje de error de 26,56 %

da el 100%.

Para obtener altas durezas en el acero AISI P20 se realiza en baños de sales

compuestas, en el tratamiento térmico del temple y revenido con tiempos basados

en los espesores de la pieza. Las probetas antes del mecanizado tienen una dureza

promedio de 52 HRC y después del mecanizado varia a 54 HRC, por lo tanto existe

una incremento del 2,07% al promedio total en la dureza. Esto sucede por las

distorsiones de temperatura que el material sufre durante el mecanizado y el calor

generado que provoca variaciones estructurales en las capa superficial. El

endurecimiento también se debe a que el material contiene Cromo, Magnesio y

Molibdeno, que al entra en contacto la herramienta con la superficie tiende a

endurecer rápidamente al material.

Los resultados para cada nivel de trayectorias muestran una baja influencia de en

las estrategias de mecanizado, con un porcentaje de influencia del 0,65 % con

respecto a los demás factores como velocidad de corte, avance, profundidad radial

y el error que completan el 100 %. Por tanto las trayectorias que el software CAM

presenta para planeado, muestran un excelente resultado en la interacción con el

centro mecanizado EMCO Concept Mill 260 en el experimento.

86

Con la aplicación del método Taguchi se logró desarrollar diferentes

combinaciones de factores y niveles, donde se obtiene en una matriz ortogonal de

27 operaciones. Las operaciones de mecanizado permiten recopilar datos de

rugosidad para cada estrategia, teniendo un resultado promedio total de rugosidad

0,27 µm, y para un proceso de fresado el rango es de 1,2 a 4,5 µm. Los datos

medidos permiten desarrollar un estudio estadístico con el método Anova.

Los valores promedios de la rugosidad de la superficie y el método Anova se

aplicaron para estudió la rugosidad superficial y optimizar los factores de

mecanizado. Los niveles óptimos para cada factor en el experimento son:

velocidad de corte = 25 m/min, avance = 101,461 mm/min, trayectoria = ZIG-ZAG

y profundidad radial = 1,29 mm, teniendo un resultado de rugosidad superficial de

0,11 µm.

Conforme al estudio del modelo estadístico Anova, los resultados de las

rugosidades obtenidas mediante el método experimental Taguchi, permiten

obtener una rugosidad óptima ideal de 0,0844 µm con una tolerancia de ±0,109

µm. Al mecanizar la estrategia mejorada se obtiene una rugosidad óptima medida

de 0,110 µm. Por lo tanto se tiene una mejora de la rugosidad del 3,63%, para los

factores: velocidad de corte, avance, trayectoria y profundidad radial.

Los detalles de costos con mayor valor son las operaciones de mecanizado: el

centro de mecanizado EMCO Concept Mill 260 y la fabricación de la base y

probetas. El tiempo está relacionado directamente con el costo al realizar estos

trabajos. Los tiempos varían según la estrategia diseñada en el software CAM. La

simulación del software para las primeras 9 caras tiene un tiempo de 29 minutos y

en la práctica el centro de mecanizado EMCO Concept Mill 260 tiene un tiempo

87

de 27 minutos, presentando una variación de 2 minutos menos el tiempo real con

el tiempo de simulación.

La ecuación de regresión estadística para la trayectoria ZIG-ZAG permite calcular

una predicción de la rugosidad teórica que la superficie obtendrá al mecanizar con

valores que se encuentren dentro del rango de niveles presentados en el estudio.

Para la rugosidad óptima se calcula una rugosidad teórica de 0,23 µm, y al

mecanizar la estrategia óptima se obtiene una rugosidad medida de 0,11 µm. Por

lo tanto se tiene un intervalo de error de 0,12 µm, que es aceptable al encontrarse

dentro del rango de tolerancia calculada que es de 0,193 µm.

88

Recomendaciones

Es importante mencionar que en el estudio se realizó el tratamiento térmico de

temple y revenido antes del mecanizado con sus respectivas medidas para cada

probeta, como resultado se obtuvo que las probetas aumentaron sus medidas por

el cambio estructural generado en el material por lo que es recomendable

mecanizar la pieza para luego templar y conseguir las medidas deseadas.

Diseñar un experimento variando la profundidad axial, ya que en el estudio se

utilizó una profundidad axial constante, porque el acero M238 tiene una dureza de

52-54 HRC y debe tener en cuenta las alturas que soportaría la herramienta para

cada nivel.

Hacer un estudio sobre el desgaste de la herramienta de corte en función del tiempo

de mecanizado, para definir la vida útil de la calidad geométrica.

Realizar un estudio basado en el mecanizado sin refrigerante para evaluar los

costos de producción y conseguir mejores beneficios, como aumentar la

productividad o disminuir los costos.

Analizar las fuerzas de corte generadas en el mecanizado para extender este estudio

a mecanizado de alta velocidad para trabajar con velocidades de corte y avance

mayores a las utilizadas en este estudio.

Realizar un estudio sobre el endurecimiento del material después del mecanizado,

debido a que factores sucede el incremento de la dureza.

89

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92

Anexos

Anexo 1 Código de programación para las caras 1 al 9

N10 ; T2 D=16

CR=0 - ZMIN=-0.05

- fresa con punta

plana

N11 G90 G94

N12 G71 G64

N13 G17 G54 G0

N14 Z20

N15 ; Cara24 (2)

N16 M9 T2 M6

N17 S696 M3

N18 G54 M8

N19 X-28.762

Y65.462

N20 D1 Z15

N21 Z5

N22 G1 Z-0.05

F1397

N23 Y57.5

N24 Y32.5 F101.5

N25 X-32.981 Y57.5

N26 X-37.2 Y32.5

N27 X-41.419 Y57.5

N28 X-45.638 Y32.5

N29 X-49.857 Y57.5

N30 G0 Z15 G17

N31 ; Cara25 (2)

N32 M8

N33 G0 X19.414

Y27.061

N34 Z15

N35 Z5

N36 G1 Z-0.05

F1397

N37 X12.5

N38 X-12.5 F118.4

N39 Y29.596

N40 X12.5 Y32.13

N41 X-12.5 Y34.665

N42 X12.5 Y37.2

N43 X-12.5 Y39.735

N44 X12.5 Y42.27

N45 X-12.5 Y44.804

N46 X12.5 Y47.339

N49 G0 Z15

N50 ; Cara26 (2)

N51 M8

N52 X24.538

Y28.762

N53 Z5

N54 G1 Z-0.05

F1397

N55 X32.5

N56 X57.5 F118.4

N57 G0 Z5

N58 X23.7

Y32.981

N59 G1 Z-0.05

F1397

N60 X32.5

N61 X57.5 F118.4

N62 G0 Z5

N63 X23.7 Y37.2

N64 G1 Z-0.05

F1397

N65 X32.5

N66 X57.5 F118.4

N67 G0 Z5

N68 X23.7

Y41.419

N69 G1 Z-0.05

F1397

N70 X32.5

N71 X57.5 F118.4

N72 G0 Z5

N73 X23.7

Y45.638

N74 G1 Z-0.05

F1397

N75 X32.5

N76 X57.5 F118.4

N77 G0 Z5

N78 X23.7

Y49.857

N79 G1 Z-0.05

F1397

N80 X32.5

N81 X57.5 F118.4

N83 ; Cara27 (2)

N84 M8

N85 X-25.782

Y18.178

N86 Z15

N87 Z5

N88 G1 Z-0.05

F1397

N89 Y12.5

N90 Y-12.5

F118.4

N91 X-27.05

Y12.5

N92 X-28.319 Y-

12.5

N93 X-29.588

Y12.5

N94 X-30.856 Y-

12.5

N95 X-32.125

Y12.5

N96 X-33.394 Y-

12.5

N97 X-34.663

Y12.5

N98 X-35.931 Y-

12.5

N99 X-37.2 Y12.5

N100 X-38.469 Y-

12.5

N101 X-39.737

Y12.5

N102 X-41.006 Y-

12.5

N103 X-42.275

Y12.5

N104 X-43.544 Y-

12.5

N105 X-44.812

Y12.5

N106 X-46.081Y-

12.5

N107 X-47.35

Y12.5

N109 X-49.887

Y12.5

N110 G0 Z15

G54 Z0

N111 M30

93

N47 X-12.5 Y49.874

N48 X12.5

N82 G0 Z15 N108 X-48.618

Y-12.5

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